Des centaines de millions de débris spatiaux orbitent quotidiennement autour de la Terre, des éclats de vieille peinture de fusée, aux éclats de panneaux solaires, et des satellites entiers morts. Ce nuage de détritus high-tech tourbillonne autour de la planète vers 17h, 500 milles à l'heure. A ces vitesses, même des déchets aussi petits qu'un caillou peuvent torpiller un vaisseau spatial qui passe.

La NASA et le département américain de la Défense utilisent des télescopes au sol et des radars laser (ladars) pour suivre plus de 17, 000 objets de débris orbitaux pour aider à prévenir les collisions avec les missions opérationnelles. De tels ladars projettent des lasers de haute puissance sur des objets cibles, mesurer le temps que met l'impulsion laser pour revenir sur Terre, pour repérer les débris dans le ciel.

Maintenant, les ingénieurs aérospatiaux du MIT ont développé une technique de détection laser qui peut déchiffrer non seulement où mais quel type de débris spatiaux peut passer au-dessus. Par exemple, la technique, appelé polarimétrie laser, peut être utilisé pour discerner si un morceau de débris est en métal nu ou recouvert de peinture. La différence, les ingénieurs disent, pourrait aider à déterminer la masse d'un objet, élan, et potentiel de destruction.

"Dans l'espace, les choses ont juste tendance à se briser avec le temps, et il y a eu deux collisions majeures au cours des 10 dernières années qui ont causé des pics assez importants de débris, " dit Michel Pasqual, un ancien étudiant diplômé du département d'aéronautique et d'astronautique du MIT. "Si vous pouvez comprendre de quoi est fait un débris, vous pouvez savoir à quel point il est lourd et à quelle vitesse il pourrait se désorbiter avec le temps ou heurter autre chose. »

Kerri Cahoy, le Rockwell International Career Development Associate Professor d'aéronautique et d'astronautique au MIT, dit que la technique peut facilement être mise en œuvre sur les systèmes au sol existants qui surveillent actuellement les débris orbitaux.

"[Les agences gouvernementales] veulent savoir où se trouvent ces morceaux de débris, pour qu'ils puissent appeler la Station spatiale internationale et dire, 'Un gros morceau de débris venant à votre rencontre, tirez vos propulseurs et montez pour que vous soyez clair, '" dit Cahoy. "Mike a trouvé un moyen où, avec quelques modifications à l'optique, ils pourraient utiliser les mêmes outils pour obtenir plus d'informations sur la composition de ces matériaux."

Pasqual et Cahoy ont publié leurs résultats dans la revue Transactions IEEE sur les systèmes aérospatiaux et électroniques .

Voir une signature

La technique de l'équipe utilise un laser pour mesurer l'effet d'un matériau sur l'état de polarisation de la lumière, qui fait référence à l'orientation du champ électrique oscillant de la lumière qui se réfléchit sur le matériau. Par exemple, quand les rayons du soleil se reflètent sur une balle en caoutchouc, le champ électrique de la lumière entrante peut osciller verticalement. Mais certaines propriétés de la surface de la balle, comme sa rugosité, peut le faire réfléchir avec une oscillation horizontale à la place, ou dans une orientation complètement différente. Un même matériau peut avoir plusieurs effets de polarisation, en fonction de l'angle sous lequel la lumière la frappe.

Pasqual a estimé qu'un matériau tel que la peinture pouvait avoir une "signature de polarisation différente, " réfléchissant la lumière laser selon des motifs distincts des motifs de, dire, aluminium nu. Les signatures de polarisation pourraient donc être un moyen fiable pour les scientifiques d'identifier la composition des débris orbitaux dans l'espace.

Pour tester cette théorie, il a installé un polarimètre de paillasse - un appareil qui mesure, sous de nombreux angles différents, la polarisation de la lumière laser lorsqu'elle se réfléchit sur un matériau. L'équipe a utilisé un faisceau laser de haute puissance avec une longueur d'onde de 1, 064 nanomètres, similaire aux lasers utilisés dans les ladars au sol existants pour suivre les débris orbitaux. Le laser était polarisé horizontalement, ce qui signifie que sa lumière oscillait le long d'un plan horizontal. Pasqual a ensuite utilisé des optiques de filtrage de polarisation et des détecteurs au silicium pour mesurer les états de polarisation de la lumière réfléchie.

Passer au crible les déchets de l'espace

Dans le choix des matériaux à analyser, Pasqual en a choisi six qui sont couramment utilisés dans les satellites :peinture blanche et noire, aluminium, titane, et Kapton et Teflon, deux matériaux cinématographiques utilisés pour protéger les satellites.

"Nous avons pensé qu'ils étaient très représentatifs de ce que vous pourriez trouver dans les débris spatiaux, " dit Pasqual.

Il a placé chaque échantillon dans l'appareil expérimental, qui était motorisé pour que les mesures puissent être faites à différents angles et géométries, et mesuré ses effets de polarisation. En plus de refléter la lumière avec la même polarisation que la lumière incidente, les matériaux peuvent également afficher d'autres, comportements de polarisation étranges, comme une légère rotation de l'oscillation de la lumière, un phénomène appelé retard. Pasqual a identifié 16 états de polarisation principaux, puis pris note des effets d'un matériau donné lorsqu'il réfléchissait la lumière laser.

"Le téflon avait une propriété tout à fait unique où, lorsque vous faites briller une lumière laser avec une oscillation verticale, il recrache un angle de lumière intermédiaire, " dit Pasqual. " Et certaines peintures avaient une dépolarisation, où le matériau crachera des combinaisons égales d'états verticaux et horizontaux."

Chaque matériau avait une signature de polarisation suffisamment unique pour le distinguer des cinq autres échantillons. Pasqual pense que d'autres matériaux aérospatiaux, tels que divers films de blindage, ou matériaux composites pour antennes, cellules solaires, et circuits imprimés, peuvent également présenter des effets de polarisation uniques. Son espoir est que les scientifiques puissent utiliser la polarimétrie laser pour établir une bibliothèque de matériaux avec des signatures de polarisation uniques. En ajoutant certains filtres aux lasers sur les ladars au sol existants, les scientifiques peuvent mesurer les états de polarisation des débris passants et les associer à une bibliothèque de signatures pour déterminer la composition de l'objet.

"Il y a déjà beaucoup d'installations sur le terrain pour suivre les débris tels quels, " dit Pasqual. " Le but de cette technique est, pendant que tu fais ça, vous pourriez aussi bien mettre des filtres sur vos détecteurs qui détectent les changements de polarisation, et ce sont ces caractéristiques de polarisation qui peuvent vous aider à déduire de quoi est fait le matériau. Et vous pouvez obtenir plus d'informations, essentiellement gratuitement."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.