Un transfert de technologie en orbite
Publié par Redbran le 11/06/2019 à 14:00
Source: CEA-IRIG
​Le Département des Systèmes Basses Températures a développé un cryoréfrigérateur de type tube à gaz pulsé de forte puissance destiné au refroidissement de détecteurs infrarouge mis en orbite à des fins d'observation de la terre. L'utilisation de tube à gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) pulsé est liée à l'absence de pièces mobiles dans sa partie froide qui le rend plus fiable et limite la transmission des microvibrations vers le système de détection (Un système de détection est un système permettant à l'utilisateur d'observer un événement automatiquement par le biais d'un appareil électronique ou...).


Tube à gaz pulsé fabriqué par Air Liquide sous licence CEA pour refroidir les détecteurs infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible...) de MTG.
© Air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de...) Liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.)

A l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les...) spatial sont associées des contraintes spécifiques dont la résistance mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement, une...) liée au décollage (Le décollage est la phase transitoire pendant laquelle un aéronef passe de l'état statique - au sol - vers le vol.) de la fusée (Fusée peut faire référence à :), l'absence de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) et la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) qui sont parmi les plus critiques. En particulier, la contrainte de fiabilité ou la nécessité de garantir des fonctionnements sans panne sur des durées typiquement de 5 ans à 10 ans conduit à concevoir des systèmes comportant des pièces mobiles sans frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) ou même idéalement aucune pièce en mouvement. Le Département des Systèmes Basses Températures (DSBT) développe des cryoréfrigérateurs de type tube à gaz pulsé qui se caractérisent par l'absence de pièces mobiles à froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) et dont l'ESA a financé un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de développements au DSBT.

Le DSBT développe des cryoréfrigérateurs de type tube à gaz pulsé depuis de nombreuses années. Très proche des machines Stirling, la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) au DSBT se caractérise par l'absence de pièce mobile dans la partie froide. Ceci rend cette machine plus fiable et limite le niveau des perturbations mécaniques exportées (microvibrations) vers les parties sensibles des instruments qui les accueillent
Entre 2004 et 2006, un tube à gaz pulsé de forte puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) (Large Pulse Tube Cooler, LPTC) a été développé conjointement avec Air Liquide et Thales (Thalès de Milet appelé communément Thalès (en grec ancien Θαλής / Thalês), était un philosophe présocratique ionien né à Milet vers -625...) Cryogenics pour le compte de l'ESA avec comme objectif le refroidissement de détecteurs infrarouge pour les missions d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) de la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus...). Sa capacité à produire de l'ordre de 2 watts de puissance de refroidissement vers 50 K permet de refroidir des matrices de détecteurs infrarouge avec un très bon rapport signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les...) sur bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une...). Le premier modèle d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des...), réalisé par le DSBT pour la partie cryogénique, a été transféré à Air Liquide qui en a assuré la qualification en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'applications spatiales. Il aura fallu attendre plus de 10 ans pour que le premier modèle soit mis en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) sur un satellite (Satellite peut faire référence à :) d'observation de la terre. Seize autres modèles le rejoindront sur les satellites météorologiques européens de 3ème génération (Meteosat Third Generation MTG). Ces satellites permettront de donner des images infrarouges de la terre et de sonder l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) afin d'en extraire des informations sur la vapeur () d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) en vue d'améliorer les prédictions météorologiques.

D'autres développements sur la technologie des tubes à gaz pulsés ont permis d'abaisser leur température de fonctionnement jusqu'à 10 K environ. Ces machines sont une des briques incontournables des architectures (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.) thermiques des futures grandes missions d'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement...) utilisant des détecteurs à très basses températures.

Les tubes à gaz pulsé

Les tubes à gaz pulsé sont des machines cryogéniques utilisées pour produire des températures allant jusqu'à 4 Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et...) (pour les applications sol). Ils sont constitués d'un compresseur situé à température ambiante et d'une partie froide (appelé doigt froid) où a lieu la détente qui produit l'effet frigorifique. L'avantage des tubes à gaz pulsé par rapport aux autres machines cryogéniques traditionnelles est l'absence de pièce mobile à froid ce qui a pour conséquence un faible niveau de vibrations induites ainsi qu'une fiabilité et une durée de vie (La vie est le nom donné :) élevées. Les tubes à gaz pulsé sont donc destinés principalement aux applications où la fiabilité et les vibrations sont critiques, comme le spatial ou le refroidissement de détecteurs sensibles.
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