Morceaux de plastique dans la mer, teneur en chlorophylle des plans d'eau, degré de sécheresse des champs... Depuis avril 2022, le satellite environnemental allemand EnMAP est en orbite autour de notre Terre et collectera une myriade de données au cours de ses cinq années de mission. L'Institut Fraunhofer de microingénierie et de microsystèmes IMM et l'Institut Fraunhofer d'optique appliquée et d'ingénierie de précision IOF ont développé divers composants de base pour le système optique du satellite hyperspectral.

Le 1er avril 2022 à 18h24 Heure d'Europe centrale, le moment était venu :le satellite environnemental allemand EnMAP, abréviation de Environmental Mapping Analysis Program, a commencé son voyage dans l'espace depuis le centre spatial américain de Cap Canaveral. Pendant cinq ans, il est chargé d'analyser la Terre et de fournir des données sur des aspects tels que les effets du changement climatique, la disponibilité et la qualité de l'eau, et les changements d'utilisation des terres. Les premières données envoyées par le satellite vers la Terre provenaient du Bosphore et comprenaient une analyse du spectre de fréquences typique des concentrations d'algues dans l'eau. À l'aide de ces données, les chercheurs veulent étudier la migration et la croissance des algues. De telles analyses ont été rendues possibles en partie par deux types de technologie Fraunhofer.

Le cœur du satellite :un module à double fente de Fraunhofer IMM

Pour effectuer ses analyses, le satellite détecte la lumière du soleil réfléchie par la Terre. Cependant, la gamme de longueurs d'onde de 420 à 2 420 nanomètres, c'est-à-dire de la lumière visible à l'infrarouge profond, est trop grande pour être enregistrée avec un seul spectromètre. C'est là qu'une technologie de Fraunhofer IMM vient à la rescousse. "Nous avons fabriqué un module à double fente de haute précision qui dirige la lumière incidente vers deux détecteurs", explique Stefan Schmitt, chef de groupe chez Fraunhofer IMM à Mayence. De par leur nature même, les deux fentes sont un peu écartées, c'est-à-dire qu'elles ne regardent pas les mêmes points sur la Terre. "Il faut donc une fraction de seconde pour que la deuxième fente voie la même partie de la Terre que la première", explique Schmitt. Ce décalage doit être identifié avec un maximum de précision pour permettre la superposition des enregistrements et atteindre la résolution requise de 30 mètres.

La clé en est la méthode exceptionnellement précise utilisée pour fabriquer le module à double fente, qui n'est possible qu'avec la technologie du silicium. "Bien que les techniques dont nous disposons à l'institut soient bien placées pour répondre à ces exigences, il y avait encore de nombreux détails difficiles à prendre en compte", se souvient Schmitt. Par exemple, les fentes rectangulaires utilisées initialement ne se sont pas avérées suffisamment stables mécaniquement. Les chercheurs ont donc réalisé des fentes à section graduée. "Malgré des simulations et des analyses approfondies par nos partenaires, nous avons dû modifier la conception et d'autres exigences pendant que la phase de processus était en cours. Des choses comme celle-ci se produisent de temps en temps lors de l'innovation, nous y étions donc préparés", explique Schmitt. Les chercheurs ont également dû produire d'autres composants de module, tels que ceux utilisés pour dévier la lumière ou supprimer la lumière diffusée, au plus haut degré de précision en utilisant des matériaux adaptés aux applications spatiales tels que l'aluminium, l'acier inoxydable, le nickel et l'invar, dont les propriétés devaient être précisément mesuré et documenté. Un autre aspect délicat concernait l'assemblage du module à double fente. "Les tolérances étaient inférieures à cinq micromètres, donc moins d'un dixième de la taille d'une mèche de cheveux", explique Schmitt. Tout cela a été réalisé avec aplomb.

Léger et précis :miroirs métalliques de Fraunhofer IOF

Fraunhofer IOF a également apporté son expertise au satellite :l'institut est l'un des meilleurs développeurs d'optiques métalliques au monde et a produit tous les miroirs métalliques utilisés dans l'optique EnMAP. « Pour les applications spatiales, les miroirs doivent non seulement avoir une surface extrêmement lisse et être façonnés avec un niveau de précision exceptionnel, mais ils doivent également peser le moins possible », explique le Dr Stefan Risse, chef de projet chez Fraunhofer IOF à Iéna. . "C'était un domaine où nous pouvions même dépasser les exigences spécifiées :au lieu de la rugosité requise de 1 nanomètre rms (moyenne carrée), nos miroirs métalliques présentent une rugosité inférieure à 0,5 nanomètre rms lorsqu'ils sont mesurés en lumière blanche (grossissement 50x) Nous avons également pu maintenir l'écart de forme autorisé non seulement à 18 nanomètres rms, mais dans certains cas même à moins de 10 nanomètres rms." Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé de l'aluminium sur lequel ils ont déposé un alliage métallique amorphe aux rayons X de nickel et de phosphore. Par sa structure, ce film épais présente des propriétés similaires au verre et se prête très bien à l'usinage avec des outils diamantés et au polissage jusqu'à un haut niveau de finition. En ce qui concerne la forme finale des miroirs métalliques, l'équipe de chercheurs a soumis les miroirs à des procédures correctives telles que Ion Beam Figuring (IBF).

En plus de la faible rugosité de surface, une conception légère était une autre caractéristique de qualité importante pour les miroirs. La technique employée par Fraunhofer IOF a livré à cet égard aussi. "Nous avons pu réduire la masse de plus de 40 % grâce à l'une de nos techniques brevetées. Désormais, l'utilisation de procédés additifs signifie que des économies allant jusqu'à 70 % sont possibles", déclare Risse. L'équipe a réussi à y parvenir en créant une structure pour les miroirs qui ressemblait à un chapiteau dans une église :des alésages croisés se rencontrant à angle droit relient l'avant et l'arrière du miroir, et la structure de colonne qui est formée soutient les surfaces. L'avant et l'arrière du miroir sont fermés, conférant à l'élément une grande rigidité mécanique. Au total, l'équipe a fabriqué onze miroirs métalliques ultra-précis ainsi que des couches d'argent et d'or hautement réfléchissantes pour EnMAP et a également revêtu l'optique en verre en appliquant une fine couche à faible pouvoir de réfraction sur le verre. + Explorer plus loin

Intégrer des microstructures métalliques dans le verre