Quel est l’état de l’art des matériaux appliqués à l’espace ? Par exemple, qu’utiliseriez-vous pour fabriquer une combinaison spatiale de nouvelle génération ? Ou le vaisseau spatial qui l’a amené sur une exoplanète ? Pour nos besoins, évitons ce qui se profile à l’horizon ; personne n’a envie de lire des articles sur les « vaporware », ou le genre de gadget peu judicieux qui semble brillant mais finit par tuer des gens. Ici, nous allons seulement couvrir les choses qui sont en utilisation active, ou au moins, qui sont en test bêta sur le terrain.
Il existe quelques classes différentes de développement technologique. En gros, les recettes que nous utilisons pour fabriquer de nouveaux matériaux ont coévolué avec les méthodes de fabrication, et les choses que nous essayons de faire avec nos matériaux sont devenues beaucoup plus ambitieuses. Nous courons des risques toujours plus grands, et nous devons atteindre un niveau correspondant de maîtrise de la composition et de la performance des matériaux que nous utilisons.
Il y a aussi quelques types de matériaux de base. Les composites avancés superposent des matériaux séparés, tandis que les alliages fondent ou dissolvent des choses ensemble pour obtenir un produit fini homogène.
Pensez aux céramiques. La définition classique d’une céramique est un matériau d’oxyde, de nitrure ou de carbure qui est extrêmement dur et cassant, c’est-à-dire qu’il se brise si vous le frappez avec un choc physique suffisamment important. Les céramiques sont souvent résistantes à la compression, mais faibles à la tension et aux contraintes de cisaillement. Mais lorsque les matériaux céramiques sont chauffés jusqu’à ce qu’ils soient aussi filandreux que du sucre filé, puis soufflés à travers des buses pour former des fibres, ils peuvent être transformés en tissus doux et souples comme la laine de céramique, le feutre de silice et les « flexiramiques ». Ces matériaux ne brûlent tout simplement pas, ils sont donc utiles lorsqu’il y a une application pour un rembourrage doux et absorbant les chocs qui est également ignifuge.
Les vitrocéramiques sont un peu plus familières à la plupart d’entre nous, si ce n’est sous un autre nom : Gorilla Glass, que l’on voit couramment dans les smartphones aujourd’hui. C’est un verre d’aluminosilicate formé en laissant le verre fondu se nucléer autour de particules de dopant céramique qui ne sont solubles qu’à haute température. En refroidissant, on obtient une cristallinité comprise entre 50 et 99 %, selon Corning. Le matériau résultant ressemble très peu à un verre, à l’exception de sa transparence. Lorsqu’il est trempé, l’équilibre entre la tension et la compression rend le matériau très résistant. Les vitrocéramiques jouent également bien avec les revêtements conducteurs d’électricité, et les ingénieurs utilisent cette caractéristique sur les fenêtres des vaisseaux spatiaux pour les préserver de la condensation et de la glace.
Chimie des matériaux
Les fenêtres des vaisseaux spatiaux sont une grande application de la science des matériaux. Une façon de fabriquer des fenêtres dignes de l’espace est la silice fondue, qui est du dioxyde de silicium fondu 100% pur. Un autre matériau de fenêtre fou est l’oxynitrure d’aluminium, qui est en fait une céramique transparente que nous utilisons pour rendre les choses pare-balles. Dans une vidéo produite par un fabricant de produits pare-balles à base d’oxynitrure d’aluminium (voir ci-dessous), 1,6 pouce d’AlON était suffisant pour arrêter complètement une balle de calibre 50 perforante. L’AlON et la silice fondue commencent tous deux sous la forme d’une fine poudre appelée fritte, qui est tassée dans un moule, puis simplement cuite aux températures les plus étranges en une seule pièce de matériau transparent et super dur.
À moins que vous ne travailliez avec des substances pures à 100 %, ce qui dans de nombreux cas n’est pas possible, l’idée de dopage est centrale dans tout cela. Le dopage consiste à ajouter une pincée de quelque chose de spécial à une recette autrement banale, afin de profiter des avantages de cette chose spéciale sans avoir à faire face aux défauts qu’elle présente lorsqu’elle est pure. Dans de nombreux cas, ce qui résulte du dopage finit par ne ressembler que très peu à l’un ou l’autre de ses matériaux parents.
La métallurgie s’appuie beaucoup sur le dopage, qui dans ce cas est appelé alliage. Il y a des choses assez fantastiques que l’on peut faire avec les métaux. Les alliages d’aluminium-niobium ont des températures de fusion suffisamment élevées pour résister à l’environnement thermique à l’intérieur des tuyères du moteur du Falcon 9. Mais c’est uniquement parce qu’ils utilisent également le refroidissement par régénération : le propergol circule dans des chambres situées dans les parois de la tuyère, refroidissant la cloche et réchauffant le propergol. (C’est une pompe à chaleur.) Les alliages tels que l’or et le laiton sont utiles car ils ne se corrodent pas, quelles que soient les températures ou les conditions chimiques extrêmes. Comme les additifs anti-agglomérants dans le parmesan, il existe même des alliages métalliques qui impliquent du silicium juste parce que le silicium rend le métal fondu plus facile à couler, et donc mieux adapté au moulage complexe.
Le soudage par friction-malaxage, qui fait physiquement fondre ensemble les deux matériaux à souder pour qu’ils deviennent une seule entité structurelle, résout le problème de la jonction pour certaines pièces en alliage d’aluminium de SpaceX.
Crédit image : Nature.
Nous voyons beaucoup de chimie des matériaux nouveaux dans la recherche sur les semi-conducteurs, et dernièrement le contrôle du dopant est devenu assez fin pour introduire des défauts ponctuels à un seul atome dans un réseau de diamant. Cette précision de fabrication est également essentielle pour les alliages dits « à haute entropie », qui sont des mélanges hybrides de quatre, cinq éléments différents ou plus, et qui permettent d’obtenir des gains considérables en termes de résistance, ainsi que de rendre les objets fabriqués à partir de ces alliages plus fins, plus légers et plus durables. Un métallurgiste du MIT a fabriqué un alliage de type acier à haute entropie qui est à la fois extrêmement dur et très ductile, des caractéristiques que moi et tout le monde pensions mutuellement exclusives.
Bien sûr, le choix du dopant est important. Le tantale et le tungstène sont des métaux durs, denses et résistants aux radiations qui ont été mélangés au titane pour fabriquer la « voûte de radiation » de Juno. La voûte protège les circuits délicats de la charge utile scientifique, se sacrifiant à la fragilisation pour que l’électronique puisse vivre aussi longtemps que possible.
Les risques de rayonnement peuvent être atténués par un blindage – en gros, mettre des atomes entre votre charge utile et les particules chargées à haute énergie qui peuvent retourner les bits, corroder les métaux et court-circuiter les connexions. Le plomb est le choix évident sur terre, mais il ne convient pas aux vols spatiaux, car il est trop mou pour résister aux vibrations et trop lourd pour être pratique. C’est pourquoi la voûte anti-radiations de Juno est principalement constituée de titane ; c’est plus résistant que l’aluminium et plus léger que l’acier.
C’est en fait un problème majeur que d’essayer de trouver comment faire fonctionner les appareils électroniques aussi longtemps que possible lorsqu’ils sont dans l’espace. On ne peut pas faire un vaisseau spatial sans ordinateur à l’intérieur. Et même si nous continuons à réduire la taille des circuits et à diminuer leur consommation d’énergie, à un certain point, il existe des seuils physiques de taille et de consommation d’énergie. Près de ces seuils, il est extrêmement facile de perturber un système. Les dommages dus aux rayonnements, les différences thermiques, les courts-circuits électriques et les vibrations physiques sont autant de risques pour les circuits électroniques. La spintronique pourrait contribuer à faire progresser les ordinateurs, en leur offrant une bande passante beaucoup plus large pour effectuer toutes les tâches nécessaires à un voyage interstellaire. Elle pourrait également limiter au maximum les risques électromagnétiques qui sont si dommageables pour l’électronique dans un champ magnétique intense, comme celui qui entoure Jupiter. Mais jusqu’à ce que nous rendions réels les circuits optiques ou la spintronique, nous allons devoir trouver comment faire en sorte que la bonne vieille électronique se comporte dans l’espace, et cela impliquera probablement une bonne vieille cage de Faraday.
Composites
Les composites sont difficiles à produire parce qu’ils nécessitent souvent des installations de fabrication extrêmement spécialisées, d’énormes autoclaves et autres. Mais quand ils sont bons, ils sont très, très bons.
L’isolation multicouche (MLI) est à la fois thermiquement et électriquement isolante, et la NASA utilise ce truc pratiquement partout où elle le peut. C’est grâce à l’IML que les vaisseaux spatiaux ont l’air d’être recouverts d’une feuille d’or. Mais il existe un type de MLI pour les applications où tout le toutim doit également être mis à la terre électriquement, et qui utilise une maille métallique au lieu de la maille textile semblable à du tulle entre ses couches de feuilles d’aluminium.
SpaceX utilise des composites rigides dans la construction de ses véhicules, en superposant des fibres de carbone et des nids d’abeille métalliques pour produire une structure à la fois très légère et très solide. Les mousses et les aérogels peuvent aussi faire des couches légères, rigides et thermiquement imperméables.
Après récupération, voici à quoi ressemblait le carénage du Falcon 9. Notez l’enveloppe en fibre de carbone prenant en sandwich le nid d’abeille métallique.
Les composites excellent contre les dangers et les facteurs de stress physiques, mais les matériaux rigides ne sont pas la seule voie à suivre. Le module d’habillage spatial gonflable BEAM, que j’appelle affectueusement un château gonflable dans une boîte, est fait de matériaux composites flexibles, dont un tissu de verre unique appelé tissu bêta. La NASA et d’autres organismes utilisent ce type de tissu depuis la fin des années 90, et ce pour une bonne raison : Ce matériau est tout simplement impossible à perturber. Fabriqué à partir de fibres de verre enduites de PTFE dans un tissu à mailles, c’est l’enfant chéri de la fibre de verre et du Téflon. Il est pratiquement impossible de le couper ou même de le rayer avec les lames les plus dures et les plus aiguisées. Parce qu’il est flexible, il est résistant aux chocs. Il est imperméable à la corrosion même par l’attaque de l’oxygène atmosphérique libre. Les scientifiques l’ont tiré avec des lasers et c’est ce qui a finalement fait qu’il a commencé à se dégrader.
Similaire au tissu beta, il y a aussi le tissu métallique flexible Chromel-R, que nous utilisons dans les patchs résistants à l’abrasion sur les corps des vaisseaux spatiaux et les combinaisons spatiales. Le Chromel-R ressemble aux tapis de verre tissés du tissu bêta, mais il est fait de fils métalliques durs et enduits. En outre, les scientifiques ont découvert que le « bouclier Whipple rembourré », qui est une confection en couches de tissu en fibre céramique et de Kevlar, fonctionnait mieux que le placage en aluminium pour arrêter les pastilles de céramique hypervitesse simulant des débris spatiaux – en faisant fondre ou en désintégrant les pastilles (PDF).
Les combinaisons spatiales sont en fait l’application parfaite des composites flexibles. Aucun matériau n’est résistant à tout. Mais si vous prenez en sandwich de fines couches de plusieurs matériaux qui sont chacun résistant à la plupart des choses, vous obtenez une exo-combinaison à l’épreuve de tout qui peut encore se plier et fléchir avec le porteur. Ajoutez une couche de Darlexx ou d’un matériau similaire, comme les combinaisons spatiales de nouvelle génération de SpaceX, puis une couche de tissu flexiramique, et vous obtenez une combinaison pressurisée ignifuge. Ajoutez-y une couche de fluide non-newtonien et des plaques de traumatisme en alliage céramique, et vous obtenez un gilet pare-balles ignifuge. Tout ce dont vous avez besoin, c’est d’un HUD dans votre casque, et peut-être d’une mousse à mémoire de forme haute densité dans les coussins des sièges. Ce sont des choses que nous pourrions faire juste avec les produits disponibles aujourd’hui.
Voyez notre série ExtremeTech Explains pour une couverture plus approfondie des sujets technologiques les plus chauds du moment.
Crédit image supérieure : Intérieur du Dragon V2 de SpaceX
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