Baptême pour l’espace de Planck à Liège

Planck en route vers sa position à 1,5 millions de km de la Terre, à l'opposé du Soleil
25 juin 2008

Les deux prochaines missions du programme scientifique de l'ESA mettent en oeuvre Herschel et Planck, deux observatoires d'astrophysique qu'une Ariane 5 doit lancer dans l'espace au début de 2009. Le Centre Spatial de Liège (CSL), joue un rôle clef dans leurs préparatifs.

Avec ses simulateurs où il est possible d'effectuer des tests à des températures extrêmement basses. Il a servi à qualifier la charge utile de Herschel, un télescope monolithique de 3,5 m de diamètre. Le 23 avril - le célèbre physicien allemand (1858-1947) aurait eu 150 ans ce jour là -, Planck est arrivé par convoi exceptionnel de l'ESTEC à Liège: au terme de deux mois d'essais poussés, il doit réussir en août son examen de passage pour l'espace.

Herschel et Planck sont deux merveilles d'optronique (optique et électronique), destinées à mieux sonder les mystères de l'Univers en menant une enquête pointue sur la formation des galaxies, en jetant un regard inédit sur l'évolution en cours et en fouillant les vestiges de l'explosion initiale. Cette hypothèse qui fut mise en évidence par un astrophysicien belge, Georges Lemaître, sous le nom de Big Bang demande à être confirmée par des preuves tangibles.

Les instruments des deux observatoires européens, qui seront positionnés à 1,5 million de km de la Terre (quatre fois la distance Terre-Lune), doivent opérer à des températures très basses pour une cartographie dans l'infrarouge. Les deux satellites sont mis par l'ESA (Agence Spatiale Européenne) au service de la communauté scientifique internationale afin de faire progresser la recherche cosmologique. D'un coût total de quelque 2 milliards d'euros, dont la moitié pour les seuls satellites, elles sont d'un très grand intérêt pour les sciences de l'infiniment grand. Par ailleurs, Herschel et, surtout, Planck - le premier modèle de vol d'un satellite testé au CSL - sont de nouvelles références de confiance, voire des lettres de noblesse qui consacrent l'expertise des acteurs liégeois dans le domaine spatial.

Jean-Marc Defise, Directeur du CSL
Jean-Marc Defise, Directeur du CSL

Le CSL (Centre Spatial de Liège) en Belgique fait partie du réseau européen des infrastructures qui sont équipés de simulateurs d'environnement spatial. Aux côtés de l'ESTEC à Noordwijk (Pays-Bas), d'Intespace à Toulouse (France), d'IABG à Ottobrunn (Allemagne), de Thales Alenia Space à Cannes (France). S'étant spécialisé dans les essais poussés sous vide dans l’ultrafroid, il est l'un des rares en Europe à pouvoir effectuer des tests cryogéniques de grande ampleur, jusqu'à l'extrême. Son directeur, Jean-Marc Defise, voit la valorisation des efforts technologiques que l'Université, avec le soutien du gouvernement belge via le service public fédéral de la politique scientifique, a entrepris depuis les années 70 pour répondre aux besoins des missions scientifiques de l'ESA.

Une « première » technologique

Financés par les Etats membres de l'ESA (Agence Spatiale Européenne) dans le cadre du programme scientifique obligatoire, Herschel (3,3 t de masse au décollage) et Planck (1,8 t) ont un petit air de famille. Et pour cause, ils emploient le même type de plate-forme et sont réalisés sous la maîtrise d'œuvre de Thales Alenia Space par l'industrie européenne. Plusieurs sociétés belges sont impliquées par les équipements de bord. Notamment sa filiale belge ETCA, à Charleroi, pour les systèmes de conditionnement d’énergie, ainsi que EHP (Euro Heat Pipes), à Nivelles, pour les caloducs du module de service. Pour les essais de Herschel et Planck, le CSL, AMOS à Liège et des PME de la région liégeoise sont mis à contribution dans le bon fonctionnement des simulateurs FOCAL (Facility for Optical Calibration At Liege). Les performances des miroirs du télescope Planck ont subi des essais vibratoires que le CSL a menés en conditions cryogéniques au moyen d'une installation unique, spécialement conçue à cet effet. Il s'agissait de vérifier ces miroirs avant de procéder à leur assemblage dans le télescope qui focalise les signaux perçus vers des détecteurs complexes en forme de cornets.

Préparatifs du modèle de vol du satellite Planck
Préparatifs du modèle de vol du satellite Planck, avant son baptême pour l'espace dans le simulateur FOCAL 5

Depuis ce 16 juin, le satellite complet - sans ses panneaux solaires - se trouve enfermé dans le simulateur horizontal FOCAL 5 (5 m de diamètre). Il est mis à l'épreuve pendant près de deux mois, jusqu'à la mi-août.

Cette campagne de tests - la dernière avant son départ pour le Centre Spatial Guyanais de Kourou – est de vérifier que l'instrumentation du télescope de 1,5 m de diamètre donne entière satisfaction pour son fonctionnement dans les conditions de froid extrême. C'était la troisième fois que le CSL se met au service de Planck.

En 2005, un prototype avait été testé durant soixante-cinq jours sous vide. Puis, une partie du modèle de vol était déjà venue durant la première moitié de 2006 (pour vingt et un jours d'essais).

Un examen de passage décisif

Cette fois, son cœur - le télescope avec ses senseurs – est exposé sous vide durant une phase de soixante jours, au cours de laquelle on atteindra progressivement 0,1 K ou moins 273,05°C. Soit un environnement très proche du zéro absolu! Son instrumentation comprend deux yeux perçants qui vont observer la voûte céleste dans neuf longueurs d'onde afin de mesurer avec une précision inégalée la température du Rayonnement de Fond Cosmologique (RFC) ou « bruit de fond » du Cosmos. Le détecteur LFI (Low Frequency Instrument) va observer dans le domaine des micro-ondes (30 GHz -77 GHz), tandis que l'ensemble HFI (High Frequency Instrument) de 36 détecteurs bolométriques va mesurer l'énergie rayonnante dans l'infrarouge très lointain et dans les micro-ondes (100 GHz - 857 GHz). Le CSL doit qualifier et certifier que les détecteurs dans le vide sont sensibles à des variations de température de quelques millionièmes de degré.

La particularité de Planck, ce qui en fait sa complexité, est que sa charge scientifique doit être maintenue à une température extrêmement basse pendant les 18 mois de sa mission spatiale. C'est la condition sine qua non pour mesurer, par des relevés précis et avec une résolution inégalée, le fond diffus cosmologique. L'objectif, en détectant la matière et l'énergie noires (masse manquante) dans l'Univers, est de cartographier le rayonnement des origines...

« Vacances d’été » dans l’hyper-froid

Aux petits soins autour du satellite complet Planck

Isabelle Domken, ingénieur industriel et chargée depuis vingt ans des tests de systèmes spatiaux, dirige l'équipe du CSL qui a préparé le simulateur FOCAL 5 pour les tests Planck. « Pas de vacances, cet été, pour le personnel. Quand on travaille dans les systèmes spatiaux, il faut faire preuve de flexibilité et se plier aux aléas de leur technologie. On attendait Planck pour fin 2007. Notre planning de travail a dû s'adapter aux contraintes technologiques de cet observatoire très complexe ».

Depuis 2001, Mme Domken se préparait à accueillir Planck au CSL. D'abord, avec une étude de faisabilité démontrant que le CSL avait la capacité de tester le satellite complet. Il a fallu aménager l'infrastructure pour son accueil (construction d'une aile supplémentaire, agrandissement de l'aire de déchargement), investir dans de nouveaux équipements (liquéfacteur d'hélium, système de rails devant la cuve pour y intégrer le satellite, double tente thermique, dispositifs de sécurité), assurer la formation d'ingénieurs aux activités en cryogénie. Avec beaucoup de précautions, vu que la marge de manœuvre est très étroite, on s'est entraîné, au moyen d'une maquette, à faire entrer le Planck de 1,8 tonne enfermé dans une tente thermique qui fut spécialement construite par AMOS.

Les défis d’un « bon de tirer »

L'intérieur de cette tente est recouvert de nids d'abeilles. La technique pour poser les nids d'abeilles sur les panneaux de cuivre a été inspirée par un processus de la firme Aerofleet de Soumagne. Les panneaux sont ensuite peints en noir de manière à absorber tout flux de chaleur et à éviter la réflexion de la partie chaude (électronique qui doit rester à 20°C dans le module de service orienté vers le soleil) sur la partie qui doit rester ultra-froide (télescope avec ses instruments). Autre défi technologique qu'il a fallu relever: l'emploi d'un panneau comportant trois sources de référence qui, descendu devant l'instrument HFI, doit permettre son étalonnage avec une résolution jamais atteinte. Ce panneau est similaire à un bain d'hélium liquide et est conçu pour fonctionner de façon stable aux environs de 4 K(elvins) (moins 269°C). On y a fixé un matériau de type « eccosorb » qui simule « un corps noir » dans les radio-fréquences.

Ce trio souriant fait partie de l'équipe qui a préparé FOCAL
Ce trio souriant fait partie de l'équipe qui a préparé FOCAL 5 pour la campagne d'essais Planck

Pour le refroidissement du cœur de sa charge utile jusqu'à des conditions extrêmes, l'observatoire Planck utilise un refroidisseur passif: à 50 K(elvins) et trois refroidisseurs actifs: à 20 K, à 4 K et à 100 mK. Cette dernière valeur pour le refroidissement du plan focal de l'instrument HFI est atteinte par un système à dilution de deux isotopes d'hélium, à savoir l'hélium 4 et l'hélium 3. Si le premier est une ressource naturelle, le second est un produit rare issu de la fission nucléaire. L'hélium 3 est un des produits les plus chers au monde (environ 1,2 million d'euros le kilo) et rien que, pour Planck, son volume représente deux ans de production mondiale!

Le Centre Spatial de Liège a donc dû relever de défis et redoubler de précautions pour la mise à l’épreuve de la chaîne de refroidissement, dans son intégralité, de l'observatoire testé dans FOCAL 5. C'est à ses équipes de chercheurs, ingénieurs et techniciens, assistés par des spécialistes de l'ESTEC et de Thales Alenia Space, qu'il incombe de donner le bon à tirer. Avec ce « laisser-passer », Planck, accompagné de son « compagnon » Herschel, sera expédié par avion en Guyane pour son lancement par une Ariane 5. Ce sera l'envol pour une odyssée scientifique à 1,5 millions de km de la Terre. Une aventure incroyable d'observations qui doivent faire « remonter dans le temps » jusqu’à 300 000 ans... après l'instant (dit « zéro ») du Big Bang!

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