Ces images, prise au microscope électronique, montrent les nanotubes à motifs qui fonctionneraient comme émetteurs d'électrons dans un nouvel instrument en cours de développement pour analyser des échantillons extraterrestres. L'image de droite est un gros plan de l'une des bosses. Crédit :NASA
Un revêtement ultra-sombre composé de brins de tapis à poils longs presque invisibles en carbone pur s'avère très polyvalent pour tous les types d'applications de vols spatiaux.
Dans l'application la plus récente du revêtement en nanotubes de carbone, ingénieur optique John Hagopian, un entrepreneur au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et la scientifique Goddard Lucy Lim cultivent une gamme de minuscules, bosses en forme de bouton de nanotubes à parois multiples sur une plaquette de silicium.
Les points, qui ne mesurent que 100 microns de diamètre - à peu près la taille d'un cheveu humain - servirait de source de "munitions" pour une mini-sonde électronique. Ce type d'instrument analyse les propriétés chimiques des roches et des sols sur des corps sans air, comme la Lune ou un astéroïde.
Bien que la sonde soit encore au début de son développement technologique, c'est prometteur, dit Lim, qui utilise le financement du programme Planetary Instrument Concepts for the Advancement of Solar System Observations de la NASA, plus connu sous le nom de PICASSO, pour faire avancer le concept.
Le canon à électrons de taille nanotechnologique
Clé de l'instrument de Lim, bien sûr, sont les nanotubes de carbone, qui sont d'excellents émetteurs d'électrons. Découvert en 1991, ces structures présentent également un ensemble de composants électroniques utiles, propriétés magnétiques et mécaniques.
Pour créer ces structures très polyvalentes, les techniciens placent une plaquette de silicium ou un autre substrat à l'intérieur d'un four. Pendant que le four chauffe, ils baignent le substrat avec un gaz de base de carbone pour produire le revêtement mince de structures ressemblant à des cheveux presque invisibles.
Pour l'émetteur d'électrons, Hagopian et Lim utilisent cette technique pour devenir minuscules, points circulaires de nanotubes de carbone dans un motif de grille que la branche du détecteur de Goddard a façonné en utilisant la photolithographie. Au-dessus et au-dessous du réseau de points se trouvent des fils ou des traces de silicium et une grille qui produisent deux tensions différentes. Ces tensions créent un champ électrique qui active la libération d'électrons contenus dans les bosses ou les forêts de nanotubes de carbone.
Sous le concept d'instrument de Lim, les faisceaux d'électrons traverseraient ensuite un empilement de lentilles électrostatiques pour accélérer leur vitesse et aider à les focaliser sur une cible extraterrestre. Lorsque les électrons frappent l'échantillon, le bombardement exciterait les éléments contenus dans l'échantillon, produisant des rayons X qu'un spectromètre analyserait ensuite pour identifier la composition chimique de l'échantillon.
John Hagopian (à gauche) a collaboré avec l'instrumentiste Lucy Lim pour développer un nouvel instrument qui s'appuie sur des nanotubes de carbone pour fournir les électrons nécessaires pour exciter les minéraux contenus dans un échantillon extraterrestre. Larry Hess (à droite) dessine tous les fils et patchs où le catalyseur pour la croissance des nanotubes est déposé. Crédit :Centre de vol spatial Goddard de la NASA/Bill Hrybyk
Améliorations significatives attendues
Bien que la NASA ait fait voler d'autres instruments qui analysent des échantillons à l'aide de rayons X, Le concept de Lim et son utilisation des nanotubes de carbone pourraient offrir des améliorations significatives.
Ce qui est différent avec son émetteur de champ d'électrons à base de nanotubes de carbone, c'est sa petite taille et le fait qu'il est entièrement adressable. "Nous serions en mesure de choisir quelle bosse activer, " a déclaré Lim. "Nous serions en mesure d'analyser différents points sur l'échantillon individuellement."
En revanche, si l'instrument n'avait qu'une seule source d'électrons, il ne pouvait analyser qu'une partie de l'échantillon, dit Lim. "Nous voulons obtenir des cartes de composition, " ajouta-t-elle. " Sans l'émetteur adressable, nous pourrions ne pas découvrir tous les minéraux contenus dans un échantillon, comme ils sont grands, ou leur relation les uns avec les autres.
En test, Lim a démontré que les bosses émettent suffisamment d'électrons pour exciter un échantillon. Par ailleurs, Hagopien, qui a volé quelques échantillons de revêtement sur la Station spatiale internationale en 2014, a prouvé que la technologie peut survivre à une excursion dans l'espace.
L'équipe, qui comprend également Larry Hess avec Goddard's Detector Branch, se rapproche des défis techniques et sait que la nanotechnologie fonctionne comme prévu. Cependant, des obstacles subsistent, dit Hagopian, le fondateur du Lanham, Nanophotonique avancée basée dans le Maryland. Emballer la grille à base de nanotubes dans un tout petit boîtier, puis la raccorder à l'électronique de l'instrument « est difficile, " dit Hagopian. Cependant, l'équipe pense pouvoir démontrer la sonde électronique à base de nanotubes d'ici quelques années dans le cadre de l'effort de recherche financé par la NASA.
Suppression de la lumière parasite
Dans une application complètement différente et peut-être mieux connue, Hagopian développe des revêtements pour absorber la lumière parasite qui peut ricocher sur les composants de l'instrument et finalement contaminer les mesures.
En test, Les revêtements en nanotubes de carbone se sont avérés très efficaces pour absorber 99,8 % de la lumière qui les frappe et c'est la raison pour laquelle ils semblent très noirs. Lorsque la lumière pénètre dans la forêt de nanotubes, de minuscules interstices entre les tubes empêchent la lumière de rebondir. Cependant, ces espaces n'absorbent pas la lumière. Le champ électrique de la lumière excite des électrons dans les nanotubes de carbone, transformer la lumière en chaleur et l'absorber efficacement, dit Hagopian.
Pour les chercheurs du Space Telescope Science Institute de Baltimore, Maryland, Hagopian fait pousser des nanotubes à motifs complexes sur un composant qui modifie le motif de la lumière qui s'est diffractée sur les bords des structures du télescope à l'aide de masques coronagraphiques, qui bloquent la lumière des étoiles, dit Hagopian. Le programme Small Business Innovative Research de la NASA a financé cet effort.
Il collabore également avec le chercheur principal Antonio Mannino pour créer un revêtement qui empêcherait la lumière parasite de contaminer les mesures recueillies par un nouvel instrument appelé Coastal Ocean Ecosystem Dynamics Imager, ou COEDI. Ce spectromètre hyperspectral est conçu pour surveiller la couleur de l'océan à partir de l'orbite géostationnaire, des mesures que les scientifiques et d'autres pourraient utiliser pour évaluer et gérer les ressources côtières.
"J'ai commencé à travailler avec John [Hagopian] il y a deux ans quand j'ai découvert lors des tests que la lumière parasite allait être un problème avec COEDI, " dit Mannino, qui développe également son instrument avec le financement de la R&D de la NASA. "Nous lui avons demandé de nous aider avec le problème. Je pense qu'il est sur le point de le résoudre."
