De Cannes à Liège, Planck à l’épreuve du froid

Planck en essais au Centre Spatial de Liège
26 mars 2006

Le mois dernier, un bien étrange convoi a quitté le site industriel d’Alcatel Alenia Space, sur le front de mer de Cannes, à destination de la Belgique. A son bord, un précieux chargement : le modèle de vol de l’observatoire Planck de l’ESA.

Celui-ci doit être lancé dans moins de deux ans afin d’effectuer une cartographie du rayonnement primordial de l’Univers avec une précision jamais atteinte auparavant.

Pour son premier voyage, Planck a pris le chemin des écoliers, selon un itinéraire savamment étudié pour éviter les obstacles tels que ponts ou tunnels qui auraient pu gêner le passage de son conteneur de plus de 4 m de diamètre. Intégré à Cannes, le satellite, dépourvu de son télescope et de ses instruments, mais équipé de son électronique de vol et de deux exemplaires du premier de ses trois refroidisseurs cryogéniques, a rejoint le Centre Spatial de Liège (CSL) pour des essais dans une chambre à vide cryotechnique. Réalisé pour le compte de l’ESA, ce premier simulateur d’environnement spatial refroidi à l’hélium liquide d’Europe est capable d’atteindre des températures de l’ordre de 4 K (-269°C) sous une enceinte spéciale.

Frigo spatial

Planck Container
Planck à son départ pour la Belgique

La mission de Planck requiert en effet de travailler à des températures extrêmement basses, car il s’agit de mesurer les infimes variations dans le « bruit de fond » cosmique. Ce rayonnement fossile est tout ce qui reste de la toute première lumière apparue dans l’univers, il y a plus de 13 milliards d’années, quelque 380 000 ans après le Big Bang. L’univers était alors mille fois plus petit qu’aujourd’hui et sa température était descendue à 3 000 K, suffisamment bas pour permettre aux premiers atomes d’hydrogène de se former et à la lumière – enfin séparée de la matière – de se déplacer librement.

Aujourd’hui, ce rayonnement fossile n’a plus qu’une température de 2,725 K (-270,435°C) et comporte d’infimes variations, qui n’excèdent pas 0,002° et trahissent les premières accrétions de matière au cours du premier milliard d’années après le Big Bang. Planck doit étudier ces variations avec une sensibilité décuplée par rapport aux précédents satellites et une résolution angulaire près de quatre fois plus précise, afin de brosser un véritable portrait de l’Univers dans sa prime jeunesse.

Pour parvenir à ces températures extrêmes, le satellite combine refroidissement passif et actif. Sa charge utile, installée sur la face qui pointera en permanence à l’opposé du Soleil, est séparée du module de service par trois écrans de protection thermique ce qui permettra de maintenir le télescope à moins de 60 K (-213°C). Trois refroidisseurs actifs auront quant à eux pour mission de faire baisser encore plus cette température, jusqu’à 4 K, voire 0,1 K pour les bolomètres de l’Instrument à Haute Fréquence (HFI), développé par l’Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS) d’Orsay, près de Paris.

Miroirs glacés

The Planck Cryogenic Qualification Model
Les modèles de qualification et de vol en salle blanche à Cannes

A Cannes, le départ du satellite n’empêche pas les activités de continuer sur la charge utile et notamment sur le télescope, qui doit boucler ses essais optiques d’ici l’été.

Dans un premier temps, les réflecteurs ont été caractérisés en froid, jusqu’à 100 K (-173°C) dans la cuve à vide du site cannois.

« Nous mesurons la déformation du miroir en fonction de la température afin de connaître avec une très grande précision la forme exacte qu’il adoptera aux très basses températures auxquelles il sera amené à travailler », explique Jean-Jacques Juillet, chef de projet Herschel/Planck chez Alcatel Alenia Space. « Pour cela, nous visons plusieurs milliers de cibles sur le miroir avec un laser et nous mesurons leur position en 3D ».

Ce n’est pas la première fois que ces réflecteurs connaissent pareille froidure. Avant d’arriver à Cannes, ils ont déjà fait le voyage à Liège pour déterminer leur tenue à 50 K et s’assurer que les structures en carbone époxy ne se déforment pas ni ne créent de microstructures susceptibles d’altérer la qualité du télescope en rétrécissant sous l’effet du froid.

The Radio Frequency Qualification Model
Essais radiofréquences de la charge utile à Cannes

« A Liège, nous avons étudié les déformations de la surface de réflexion par interférométrie avec une précision de l’ordre de 10 microns » rappelle Thomas Passvogel, chef du projet Herschel/Planck au centre technique de l’ESA (ESTEC) à Noordwijk (Pays-Bas). « Le procédé de vidéogrammétrie utilisé à Cannes nous permet quant à lui de caractériser également les autres faces des réflecteurs et notamment leur interface avec la structure du télescope ».

A la fin du printemps, ces réflecteurs seront intégrés sur le télescope. La livraison des instruments est attendue pour l’été.

En parallèle, le modèle de qualification radiofréquence de la charge utile, qui comprend les deux réflecteurs, la structure porteuse, le cache protecteur et le bouclier thermique supérieur, a été mis à l’essai dans la base compacte, une vaste chambre anéchoïde qui sert habituellement à caractériser les performances et le comportement radioélectrique des satellites de télécommunications. Ces essais ont permis de confirmer la stabilité en radiofréquence du module de charge utile de Planck entre 30 et 300 GHz.

Ces essais revêtent une importance cruciale pour Planck car sa charge utile se situe « à mi-chemin entre une antenne et un instrument optique », selon les mots Jean-Jacques Juillet. « L’instrument à basse fréquence (LFI) étudiera le rayonnement cosmique jusqu’à 30 et 100 GHZ, or 30 GHz c’est la frange haute des hyperfréquences en télécommunications, tandis que HFI travaillera entre 100 et 900 GHz, ce qui nous amène dans l’infrarouge très lointain ».

Grand froid à Liège

Vue d'artiste de l'observatoire européen Planck
Vue d'artiste de l'observatoire européen Planck

Pendant ce temps, en Belgique, le satellite Planck a été enfermé dans la chambre à vide du Centre Spatial de Liège (CSL) le 10 mars pour y subir une campagne d’essais de 17 jours au cours de laquelle des bilans d’échanges thermiques seront effectués sur la plate-forme. Des essais fonctionnels seront également réalisés sur l’un des deux refroidisseurs cryogéniques à absorption fournis par le Jet Propulsion Laboratory (JPL) américain. Le refroidisseur devra atteindre des températures jusqu’à 18 K (-251°C).

Un 2e modèle de refroidisseur, fourni par le Rutherford Appleton Laboratory (RAL) britannique, sera testé ultérieurement. Il doit encore abaisser la température à 4 K.

Le modèle de qualification de l’instrument HFI a déjà été testé à Liège durant l’été 2005. Il intègre le 3e modèle de refroidisseur - à dilution d’hélium - mis au point par le CRTBT (Centre de Recherche sur les Très Basses Températures) de Grenoble et qui a pu atteindre une température de 100 milli-Kelvin (0,1 K, soit 0,1°C au-dessus du zéro absolu).

« Cette température a été atteinte en configuration de vol, ce qui constituait une première mondiale » rappelle Jean-Jacques Juillet.

Planck doit revenir à Cannes pour être intégré avec sa charge utile à la fin de l’année et entreprendre une campagne d’essais systèmes. Il refera le voyage vers Liège à la mi-2007, pour une nouvelle campagne d’essais sur l’observatoire complet. Par la suite, il prendra le chemin de la Guyane, en vue de son lancement par Ariane 5, en compagnie de l’observatoire infrarouge Herschel, au début de 2008. Les deux satellites seront placés en orbite autour d'un des points d'équilibre du système Terre-Soleil, situé à environ 1,5 millions de kilomètres de la Terre dans la direction opposée au Soleil.

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Jean-Jacques Juillet
Chef de projet Herschel/Planck
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