A New Alloy is Enabling Ultra-Stable Structures Needed for Exoplanet Discovery

0 0 8 minutes read

A New Alloy is Enabling Ultra-Stable Structures Needed for Exoplanet Discovery

7 min Lire

Un nouvel alliage permet des structures ultra-stables nécessaires à la découverte d’exoplanet

Un nouveau matériau unique qui rétrécit lorsqu’il est chauffé et se dilate lorsqu’il est refroidi pourrait aider à permettre aux télescopes spatiaux ultra-stables que les futures missions de la NASA nécessitent pour rechercher des mondes habitables.

Des progrès dans les technologies matérielles sont nécessaires pour répondre aux besoins scientifiques des prochains grands observatoires. Ces observatoires s’efforceront de trouver, d’identifier et d’étudier les exoplanètes et leur capacité à soutenir la vie.

Crédit: NASA JPL

L’un des objectifs de la division astrophysique de la NASA est de déterminer si nous sommes seuls dans l’univers. Les missions astrophysiques de la NASA cherchent à répondre à cette question en identifiant des planètes au-delà de notre système solaire (Exoplanets) qui pourraient soutenir la vie. Au cours des deux dernières décennies, les scientifiques ont développé des moyens de détecter les atmosphères sur les exoplanètes en observant de près les étoiles à travers des télescopes avancés. Au fur et à mesure que la lumière traverse l’atmosphère d’une planète ou est réfléchie ou émise par la surface d’une planète, les télescopes peuvent mesurer l’intensité et les spectres (c’est-à-dire «couleur») de la lumière et peuvent détecter divers changements dans la lumière causée par les gaz dans l’atmosphère planétaire. En analysant ces modèles, les scientifiques peuvent déterminer les types de gaz dans l’atmosphère de l’exoplanet.

Le décodage de ces quarts de travail n’est pas une tâche facile car les exoplanètes apparaissent très près de leurs étoiles hôtes lorsque nous les observons, et la lumière des étoiles est un milliard de fois plus brillant que la lumière d’un exoplanet de la taille de la terre. Pour détecter avec succès les exoplanètes habitables, l’observatoire des mondes habitables de la NASA aura besoin d’un ratio de contraste d’un à un à un milliard (1: 1 000 000 000).

La réalisation de ce ratio de contraste extrême nécessitera un télescope qui est 1 000 fois plus stable que les observatoires spatiaux de pointe comme le télescope spatial James Webb de la NASA et son prochain télescope spatial romain de Nancy Grace. De nouveaux capteurs, architectures système et matériaux doivent être intégrés et fonctionner de concert pour le succès de la mission future. Une équipe de la société Allvar collabore avec le Marshall Space Flight Center de la NASA et le laboratoire de propulsion Jet de la NASA pour démontrer comment l’intégration d’un nouveau matériau avec des caractéristiques de dilatation thermique négatives uniques peut aider à permettre des structures de télescope ultra-stables.

La stabilité des matériaux a toujours été un facteur limitant pour observer les phénomènes célestes. Depuis des décennies, les scientifiques et les ingénieurs travaillent à surmonter des défis tels que le micro-écart, l’expansion thermique et l’expansion de l’humidité qui affectent de manière nuisible la stabilité du télescope. Les matériaux actuellement utilisés pour les miroirs et les entretoises de télescope ont considérablement amélioré la stabilité dimensionnelle des grands observatoires comme Webb et Roman, mais comme indiqué dans l’enquête décadalisée sur l’astronomie et l’astrophysique 2020 développé par les académies nationales des sciences, de l’ingénierie et de la médecine, ils ne sont toujours pas à court de la stabilité au niveau du picomètre au cours de plusieurs heures qui nécessiteront l’observateur des mondes habitables. Pour la perspective, 10 picomètres sont environ 1/10^ème Le diamètre d’un atome.

Une grande structure complexe dans une salle de travail touche au-dessus des travailleurs vêtus de combinaisons de protection. En haut de la structure, six entretoises noires s'étendent pour maintenir un petit miroir rond.

_{Le télescope spatial Roman Nancy Grace de la NASA se trouve au sommet de la structure de support et des charges utiles de l’instrument. Les longues entretoises noires tenant le miroir secondaire du télescope contribueront à environ 30% de l’erreur avant de l’onde tandis que la plus grande structure de support sous le miroir primaire contribuera à 30%.}

_{Crédit: NASA / Chris Gunn}

Le financement de la NASA et d’autres sources a permis à ce matériel de passer du laboratoire à l’échelle commerciale. Allvar a reçu un financement de recherche innovante en petites entreprises de la NASA (SBIR) pour évoluer et intégrer un nouveau matériau en alliage dans des démonstrations de structure de télescope pour une utilisation potentielle sur de futures missions de la NASA comme l’Observatoire du monde habitable. Cet alliage se rétrécit lorsqu’il est chauffé et se dilate lorsqu’il est refroidi – une propriété connue sous le nom d’expansion thermique négative (NTE). Par exemple, l’alliage Allvar 30 présente un coefficient de dilatation thermique de -30 ppm / ° C à température ambiante. Cela signifie qu’un morceau de 1 mètre de cet alliage NTE réduira 0,003 mm pour chaque augmentation de la température de 1 ° C. À titre de comparaison, l’aluminium se dilate à +23 ppm / ° C.

_{Alors que d’autres matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés et se contractent lorsqu’ils sont refroidis, Allvar Alliage 30 présente une expansion thermique négative, qui peut compenser l’inadéquation de l’expansion thermique d’autres matériaux. La déformation thermique en fonction de la température est indiquée pour 6061 aluminium, A286 en acier inoxydable, titane 6Al-4V, Invar 36 et alliage Allvar 30.}

Parce qu’il rétrécit lorsque d’autres matériaux se développent, l’alliage Allvar 30 peut être utilisé pour compenser stratégiquement l’expansion et la contraction d’autres matériaux. La propriété NTE unique de l’alliage et le manque d’expansion de l’humidité pourraient permettre aux concepteurs optiques de répondre aux besoins de stabilité des futures structures de télescope. Les calculs ont indiqué que l’intégration de l’alliage Allvar 30 dans certaines conceptions de télescope pourrait améliorer la stabilité thermique jusqu’à 200 fois par rapport à l’utilisation de matériaux traditionnels comme l’aluminium, le titane, les polymères renforcés en fibre de carbone (CFRP) et l’alliage nickel-fer, l’invar.

Deux entretoises avec une flèche indiquant où sur un assemblage hexapode, ils s'adapteraient. Un graphique décrivant une diminution ultrastabilité montre la fréquence sur l'axe x dans Hz et la longueur du TSA en m / √hz sur l'axe y. Le bruit de longueur de la force Allvar est indiqué en rouge avec la stabilité de la jambe de force bien en dessous de la cible proposée pour les critères de réussite du projet.

L’assemblage hexapode avec six entretoises en alliage Allvar a été mesuré pour une stabilité à long terme. La stabilité des entretoises individuelles et de l’assemblage hexapod a été mesurée en utilisant l’interférométrie à l’Institut de physique et d’astrophysique de l’Université de Floride. Les entretoises se sont avérées avoir un bruit de longueur bien en dessous de la cible proposée pour les critères de réussite du projet.

Crédit: (à gauche) Allvar et (à droite) Simon F. Barke, Ph.D.

Pour démontrer que les alliages d’expansion thermique négatifs peuvent permettre des structures ultra-stables, l’équipe Allvar a développé une structure hexapode pour séparer deux miroirs à base d’un matériau en céramique en verre disponible dans le commerce avec des propriétés de dilatation thermique ultra-bas. Invar a été collé aux miroirs et aux flexions en Ti6al4v – un alliage de titane couramment utilisé dans les applications aérospatiales – a été attachée à l’Invar. Pour compenser les CTES positifs des composants Invar et Ti6Al4V, un tube NTE Allvar Alloy 30 a été utilisé entre les flexions Ti6Al4V pour créer les entretoises séparant les deux miroirs. L’expansion thermique positive naturelle des composants Invar et Ti6Al4V est compensée par l’expansion thermique négative des entretoises en alliage NTE, résultant en une structure avec une expansion thermique nulle efficace.

La stabilité de la structure a été évaluée à l’Institut de la physique et de l’astrophysique de l’Université de Floride. La structure hexapode a montré une stabilité bien en dessous de la cible de 100 pm / √hz et a atteint 21 p / √hz. Cette première itération est proche de la stabilité de 10 heures requise pour le futur observatoire des mondes habitables. Un article et une présentation faits lors de la conférence d’août 2021 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers fournit des détails sur cette analyse.

De plus, une série de tests effectués par la NASA Marshall a montré que les entretoises ultra-stables étaient capables d’obtenir une expansion thermique proche de zéro qui correspondait aux miroirs dans l’analyse ci-dessus. Ce résultat se traduit par un changement de carré moyen racine (RMS) inférieur à 5 nm dans la forme du miroir à travers un changement de température de 28 000.

À gauche, un cercle avec des couleurs rouges, jaunes, bleus et vert qui représentent le carré moyen des racines (RMS). Trois zones rouges à peu près circulaires sont causées par l'inadéquation d'expansion thermique des coussinets de liaison invar avec le miroir Zerodur, tandis que les champs bleus et verts sont indiqués dans le reste du cercle. indiquant peu ou pas de changements causés par l'expansion thermique de la structure de support. L'image à droite représente un miroir très réfléchissant tenu verticalement avec des fils connectés aux côtés du miroir. Un deuxième miroir est connecté derrière elle avec une structure entre les deux.

L’Allvar a permis un assemblage hexapode ultra-stable subissant des tests interférométriques entre 293k et 265k (à droite). À gauche, le carré moyen (RMS) des racines dans la forme de la surface du miroir est représenté visuellement. Les trois zones rouges à peu près circulaires sont causées par l’inadéquation d’expansion thermique des coussinets de liaison invar avec le miroir Zerodur, tandis que les sections bleues et vertes montrent peu ou pas de changements provoqués par la dilatation thermique. Le diagramme de surface montre un changement RMS inférieur à 5 nanomètres dans la figure du miroir.

Crédit: la radiographie de la NASA et les installations cryogéniques [XRCF]

Au-delà des structures ultra-stables, la technologie de l’alliage NTE a permis une amélioration des performances de commutation thermique et a été utilisée pour éliminer les effets néfastes des changements de température sur les joints boulonnés et l’optique infrarouge. Ces applications pourraient avoir un impact sur les technologies utilisées dans d’autres missions de la NASA. Par exemple, ces nouveaux alliages ont été intégrés dans le sous-assemblage cryogénique de la démonstration de la technologie de coronagraphe de Roman. L’ajout de rondelles NTE a permis d’utiliser des sangles thermiques de graphite pyrolytique pour un transfert de chaleur plus efficace. Allvar Alloy 30 est également utilisé dans un interrupteur thermique passif à haute performance incorporé dans le projet d’expérience de night de Night (Lusee Night) du Lunar Surface Electromagnetics Experiment de l’UC Berkeley Space Science Laboratory, qui sera livré à la Lune par le biais de l’initiative CLPS CLPS (Commercial Lunar Services) de la Lunar Services) de la Lune) de la Lune. Les alliages NTE ont permis une taille de commutation thermique plus petite et de plus grands rapports de conduction thermique sur la nuit de Lusee.

Grâce à un autre effort récent de la NASA SBIR, l’équipe Allvar a travaillé avec le laboratoire de propulsion de Jet de la NASA pour développer des ensembles de données détaillés des propriétés matérielles Allvar Alliage 30. Ces grands ensembles de données comprennent des propriétés de matériaux statistiquement significatives telles que la résistance, le module élastique, la fatigue et la conductivité thermique. L’équipe a également collecté des informations sur des propriétés moins courantes comme le micro-Creep et le micro-yield. Avec ces propriétés caractérisées, Allvar Alloy 30 a effacé un obstacle majeur à la qualification spatiale.

En tant que retombée de ce travail financé par la NASA, l’équipe développe un nouvel alliage avec des propriétés d’extension thermique accordables qui peuvent correspondre à d’autres matériaux ou même à atteindre un CTE zéro. L’inadéquation de la dilatation thermique provoque des problèmes de stabilité dimensionnelle et de charge de force qui peuvent avoir un impact sur des champs tels que l’ingénierie nucléaire, l’informatique quantique, l’aérospatiale et la défense, l’optique, la physique fondamentale et l’imagerie médicale. Les utilisations potentielles de ce nouveau matériau s’étendra probablement bien au-delà de l’astronomie. Par exemple, Allvar développé des rondelles et des espaceurs, sont désormais disponibles dans le commerce pour maintenir des précharges cohérentes dans des gammes de températures extrêmes dans les environnements spatiaux et terrestres. Ces rondelles et entretoises excellent à contrer l’expansion thermique et la contraction d’autres matériaux, assurant la stabilité des applications exigeantes.

Pour plus de détails, consultez l’entrée de ce projet sur NASA Techport.

Place de projet: Dr James A. Monroe, Allvar

Les organisations suivantes de la NASA ont parrainé cet effort: Division de l’astrophysique de la NASA, programme NASA SBIR financé par la Direction de la mission de la technologie spatiale (STMD).