Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont développé une nouvelle technique d’impression 3D qui pourrait rendre beaucoup plus facile la construction de détecteurs permettant de mesurer le plasma froid et dense dans la haute atmosphère terrestre. Javier Izquierdo-Reyes et leurs collègues espèrent que leur approche simple et peu coûteuse pourrait ouvrir cette région de l’espace à un éventail beaucoup plus large de groupes de recherche.
En tant qu'état de matière ordinaire le plus abondant dans l'univers, le plasma est au cœur d'un large éventail d'applications techniques de pointe : des réacteurs de fusion à la synthèse avancée de matériaux. L’un des meilleurs endroits pour mesurer ses caractéristiques uniques est la haute atmosphère terrestre, où les électrons en orbite ont été arrachés à leurs atomes par un puissant rayonnement solaire.
Depuis les années 1950, les chercheurs utilisent des capteurs appelés « analyseurs de potentiel de retard » (RPA) pour étudier ce plasma. Ces détecteurs contiennent un empilement de mailles d’électrodes chargées négativement, avec des trous quelques fois plus grands que l’influence électrostatique de l’électron. En filtrant les électrons du plasma tout en laissant passer les ions positifs plus gros, les RPA permettent aux chercheurs de mesurer directement la répartition énergétique des ions dans le plasma atmosphérique, fournissant ainsi des informations utiles sur ses propriétés physiques.
Jusqu’à présent, cependant, les RPA se sont heurtées à une limitation majeure. Étant donné que l’influence électrostatique de l’électron augmente avec la température et diminue avec la densité, elle devient beaucoup plus petite dans le plasma froid et dense, comme c’est largement le cas dans la haute atmosphère. Pour filtrer ces électrons, les mailles RPA doivent contenir le plus petit trou possible, tout en conservant un alignement précis entre chaque maille.
Les détecteurs atteignent cet alignement grâce à une structure de boîtier isolante pour les mailles d’électrodes, qui les sépare du boîtier métallique du RPA. Pour résister aux variations de température drastiques et imprévisibles dans la haute atmosphère, ce boîtier est généralement fabriqué à partir de matériaux semi-conducteurs avancés. Cependant, à mesure que les mailles RPA deviennent plus fines, ces matériaux coûteux doivent être usinés à la fois avec une plus grande précision et dans des formes plus complexes, ce qui augmente le temps, le coût et la complexité du processus de fabrication.
Pour surmonter ce défi, l’équipe d’Izquierdo-Reyes s’est tournée vers une technique d’impression 3D appelée polymérisation en cuve. L’approche consiste d’abord à abaisser une plate-forme dans une cuve de résine vitrolite : une vitrocéramique durable capable de résister à des températures très élevées avec une bonne compatibilité sous vide. Une fois la plateforme immergée dans une couche de seulement 100 µm d’épaisseur, l’équipe utilise la lumière UV pour durcir la résine.
L'impression 3D crée un piège à atomes froids plus petit et plus léger
En répétant le processus, les chercheurs pourraient construire des structures de logement RPA couche par couche. Cela a abouti à un matériau peu coûteux, plus résistant, plus lisse et moins poreux que ce qui serait possible avec les procédés de fabrication de céramique existants. À son tour, la céramique était bien mieux adaptée pour résister aux variations extrêmes de température.
Après avoir démontré le faible coût et la relative simplicité de leur approche, les chercheurs envisagent désormais une nouvelle génération de RPA miniaturisés, à la fois mieux adaptés que leurs prédécesseurs à l’étude des plasmas froids et pouvant fonctionner avec beaucoup moins d’énergie. Si cela est réalisé, les capteurs pourraient être facilement intégrés sur des CubeSats : des satellites miniatures mesurant seulement 10 cm de diamètre, qui peuvent être stockés comme charges utiles secondaires à bord de lanceurs pour d’autres missions. À leur tour, de plus petits groupes de recherche du monde entier pourraient bientôt bénéficier d’une opportunité sans précédent d’étudier le plasma dans son habitat naturel.
Les chercheurs décrivent leurs travaux en Fabrication Additive.
