« Trois, deux, un – top ! » Le compte à rebours est lancé, les moteurs s’allument et « Ariane 6 » décolle de sa rampe de lancement au centre spatial de Kourou, en Guyane française. À bord de la fusée : un satellite d’observation météorologique de l’Agence spatiale européenne (ESA). Ce satellite est destiné à fournir des informations sur les températures, les nuages, la surface des océans, les vents et la qualité de l’air, permettant ainsi des prévisions météorologiques d’une précision sans précédent.

Pour mener à bien sa mission, il embarque – comme la plupart des satellites – une multitude de capteurs sensibles, d’appareils de mesure et de technologies de communication. Tout cet équipement électronique doit non seulement résister aux conditions hostiles de l’espace, mais aussi supporter les forces considérables générées lors du décollage de la fusée. Ce n’est d’ailleurs pas l’accélération qui pose le plus de problèmes, mais bien les vibrations.

Lors de son ascension vers l’orbite terrestre, « Ariane 6 » se sépare progressivement, lors de ce qu’on appelle les « séparations d’étages », de ses gros propulseurs à propergol solide, de ses réservoirs de carburant et de la coiffe qui protège le satellite situé à l’extrémité de la fusée au moment du lancement. De petits détonateurs séparent en toute sécurité les éléments qui ne sont plus nécessaires. Ce processus génère des secousses et des vibrations qui se répercutent, via la structure de la fusée, sur son chargement sensible.

En collaboration avec l’entreprise spatiale suisse « Beyond Gravity », des chercheurs de l’Empa, sous la direction d’Andrea Bergamini du laboratoire « Acoustics / Noise Control » de l’Empa, ont cherché un moyen d’atténuer ces vibrations nuisibles. Leur projet de recherche a été soutenu par Innosuisse. Dans le collimateur des chercheurs : l’adaptateur de charge utile, que « Beyond Gravity » fabrique notamment pour « Ariane 6 ».

Un cristal inhabituel

L’adaptateur de charge utile, appelé en anglais « Payload Adapter System » ou PAS, a la forme d’un cône tronqué en matériau composite. En bas, la pièce est reliée à la fusée ; en haut, à la charge utile, qui peut être constituée d’un ou plusieurs satellites ou sondes spatiales. « Un PAS doit être léger et rigide », explique Andrea Bergamini. Les éléments à ressort, tels qu’ils sont utilisés sur Terre pour amortir les vibrations, sont donc hors de question. À la place, les chercheurs du groupe de Andrea Bergamini ont misé sur un concept issu de l’acoustique : les cristaux dits « phononiques ».

« Selon leur structure, les cristaux classiques peuvent réfléchir, diffuser ou diffracter la lumière de manière très différente », dit Andrea Bergamini. Les cristaux phononiques exploitent précisément cette propriété des structures cristallines – mais pour les ondes sonores. Alors que les ondes lumineuses oscillent à l’échelle nanométrique, les ondes sonores ont des longueurs d’onde allant de quelques centimètres à plusieurs mètres. Les structures des cristaux phononiques sont donc proportionnellement plus grandes. Leur point commun est qu’ils dévient, réfléchissent ou diffusent les oscillations dans certaines plages de fréquences.

Pour l’adaptateur de charge utile, les chercheurs se sont inspirés d’une structure cristalline qu’ils avaient eux-mêmes mise au point il y a quelques années. Ces cristaux sont constitués d’un empilement de « disques » rotatifs, reliés par une armature permettant des mouvements de rotation. Les vibrations incidentes le long de l’axe longitudinal du cristal sont ainsi converties en mouvements de rotation des éléments en forme de disques, relativement lourds et inertes, et sont ainsi atténuées.

La fibre fait toute la différence

Le défi consistait à intégrer la structure cristalline dans le PAS de manière à ce que celui-ci ne devienne ni trop lourd ni moins rigide – et, bien sûr, la solution proposée devait être industrialisable et rentable. Après plusieurs essais, les chercheurs de l’Empa ont eu une idée ingénieuse : au lieu d’intégrer des cristaux phononiques dans le PAS, ils ont transformé l’ensemble du PAS en un cristal phononique. Des anneaux en aluminium servent d’éléments rotatifs, tandis que le plastique renforcé de fibres de carbone, à partir duquel le PAS est de toute façon fabriqué, fait office d’élément de liaison. Les chercheurs ont ainsi pu démontrer une méthode de fabrication de cristaux phononiques adaptée à l’industrie : ceux-ci n’ont plus besoin d’être produits par impression 3D complexe de géométries compliquées.

Grâce à un alignement ciblé des fibres de carbone dans le plastique, les chercheurs ont réussi à mettre au point une structure qui permet de légers mouvements de rotation des anneaux en aluminium tout en restant légère et rigide. Tant lors des simulations que lors des essais avec un prototype, la nouvelle structure du PAS s’est avérée capable d’absorber les vibrations à basse fréquence – et donc particulièrement dangereuses. « Beyond Gravity » a déposé un brevet pour cette invention : en une seule étape, l’équipe a pu doter le PAS d’une nouvelle fonctionnalité tout en résolvant un problème majeur lié à la fabrication des cristaux phononiques.

Avant que le nouveau PAS ne soit monté sur une fusée, il doit toutefois encore être perfectionné et optimisé. Selon Andrea Bergamini, cela en vaut la peine : « Si nous protégeons mieux les satellites contre les vibrations, nous pourrons envoyer dans l’espace des instruments de mesure plus sensibles – et peut-être même adapter les exigences relatives à la construction des futurs satellites de manière à ce qu’ils soient plus performants et moins coûteux », explique le chercheur.