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Un cryoréfrigérateur bi-étagé pour observer la Terre et l’Univers


​Une équipe de l'Inac a développé au sein d'un consortium européen un cryoréfrigérateur spatial plus puissant que l'état de l'art actuel pour les futures missions d'observation de la Terre et le télescope en rayons X Athena de l'ESA.
Publié le 16 mai 2018
​Les instruments spatiaux d'observation de la Terre fonctionnent à basse température (∼50 K), voire même à 30 K – 50 K pour les futures missions, et sont de plus en plus exposés à des sources de chaleur indésirables. Une solution pourrait être fournie par la technologie des tubes à gaz pulsé bi-étagés. Ces réfrigérateurs cryogéniques permettent, sans impact sur la charge utile, de refroidir à plus basse température (<50 K) qu'une machine à un étage et offre par ailleurs un étage de refroidissement intermédiaire qui pourrait être affecté à un écran thermique protégeant le détecteur. C'est à cette problématique précise que répond un programme de recherche technologique lancé par l'ESA en 2013 et piloté par Thales Cryogenics, en collaboration avec l'entreprise Absolut System et l'Inac.

Le Service des basses températures de l'Inac, qui maîtrise de longue date la technologie des tubes à gaz pulsé, avait réalisé en 2009-12 un premier prototype bi-étagé avec le soutien du Cnes. En s'appuyant sur des simulations thermiques et mécaniques, il a pu améliorer les performances de ce cryoréfrigérateur pour le programme de l'ESA et porter sa maturité technologique au niveau 6 en TRL (Technology Readiness Level).

Après les tests cryogéniques réalisés à l'Inac, le cryoréfrigérateur a été envoyé à Thales où il a été assemblé pour la première fois avec un compresseur conforme aux normes spatiales. Il a pu être certifié TRL6, puis a été testé avec succès en environnement thermique et en vibration. Il a ensuite été intégré à un cryostat de démonstration similaire au modèle de vol. Les performances obtenues – puissance de refroidissement et température de fonctionnement – légitiment a posteriori les choix technologiques de l'ESA. Elles devraient favoriser la sélection d'un tube à gaz pulsé bi-étagé pour les prochaines missions d'observation de la Terre.

À plus brève échéance, le cryoréfrigérateur bi-étagé de l'ESA sera utilisé sur le démonstrateur de l'instrument X-IFU (X-ray Integral Field Unit) de la mission Athena (Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics), un télescope qui observera en rayons X l'Univers chaud et énergétique après 2028.

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