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MEMS pour visualiser des galaxies lointaines
Les efforts pour scruter profondément l'univers primitif sont importants pour comprendre sa formation, mais cela nécessite la collecte d'une lumière infrarouge très faible, ce qui est difficile car des objets plus proches et plus brillants écrasent les signaux d'objets plus sombres qui sont plus éloignés. Aujourd'hui, les ingénieurs de la NASA ont conçu un appareil hautement sensible avec des obturateurs à l'échelle du micromètre 62 000 qui permettent aux scientifiques de choisir les objets qu'ils souhaitent étudier et de bloquer la lumière provenant d'autres objets.
Un ensemble de micro-obturateurs développé par la NASA sera l'un des appareils les plus récents à bord du télescope spatial James Webb. Il sera placé au sommet d'une caméra, appelée spectrographe proche infrarouge. L'un des éléments clés, le carré brun foncé, est un réseau de micro-obturateurs de la taille d'un timbre-poste. Il contient plus de 62 000 minuscules obturateurs utilisés pour bloquer ou laisser passer la lumière pour la visualisation sélective d'objets, tels que les galaxies et les étoiles.
Le nouveau système de micro-obturateurs est destiné aux Télescope spatial James Webb , qui doit remplacer le télescope spatial Hubble en 2013. Il commence par un morceau de silicium spécialement conçu qui comprend une zone d'obturateurs de 38 sur 38 millimètres qui se trouve au sommet d'une caméra, appelée le spectrographe proche infrarouge, en cours de construction par le Agence spatiale européenne (CETTE).
Les scientifiques guideront l'ouverture et la fermeture des micro-obturateurs en examinant d'abord les images prises à partir d'une caméra infrarouge à bord du télescope, explique Harvey Moseley, le chercheur principal des micro-obturateurs. Les scientifiques visionnant les images sélectionneront les objets distants qu'ils souhaitent spectrographier. Un système informatique avec une carte numérique coordonnera l'ouverture et la fermeture des volets. C'est un peu comme conduire vers l'ouest au coucher du soleil, et vous abaissez la visière de votre voiture, explique Moseley. Vous supprimez beaucoup de lumière de votre système de détection [champ de vision], et cela améliore considérablement la sensibilité. C'est la motivation derrière les micro-obturateurs, éliminant toute lumière inutile.
Les micro-obturateurs permettront aux scientifiques de scruter plus loin dans l'espace que jamais en bloquant complètement les signaux des objets lumineux. Le but est d'observer ces toutes premières galaxies et de se faire une idée de tous les processus qui ont permis la formation de ces galaxies, explique Moseley. De plus, nous espérons avoir une meilleure idée de la façon dont vous passez d'un univers désordonné avec de petites galaxies irrégulières aux galaxies spirales plutôt grandes de l'univers d'aujourd'hui.
L'effort a été forgé par Centre de vol spatial Goddard de la NASA utilisant la technologie micromécanique pour fabriquer le sous-système de micro-obturateur. Les minuscules volets, ou trappes, étaient faits de nitrure de silicium et fixés à la plaquette de silicium par des charnières, explique Murzy Jhabvala, ingénieur en chef de Goddard Instrument Technology and Systems Division.
L'équipe de Moseley a conçu les volets pour s'ouvrir et se fermer en réponse à un champ magnétique. Les chercheurs ont déposé du matériau magnétique sur la surface des volets et placé un aimant en dessous pour les ouvrir. Le retrait de l'aimant permet aux volets de se refermer. Pour les maintenir ouverts, les ingénieurs appliquent une tension – une tension positive sur l'obturateur lui-même et une tension négative sur la paroi arrière. Des couches métalliques servent d'électrodes à l'avant et à l'arrière du réseau.
La tension positive et négative maintient l'obturateur ouvert, et lorsque l'aimant s'éloigne, l'obturateur restera ouvert, dit Jhabvala, puis nous laissons la tension passer aux obturateurs que nous voulons laisser fermer. De cette façon, nous pouvons spécifiquement ouvrir ou fermer n'importe lequel ou cent des volets que nous voulons, connus sous le nom d'adressage à accès aléatoire.
Les micro-obturateurs sont en concurrence avec une autre approche appelée micromiroirs. Cette approche utilise un tableau de tuiles ; en inclinant les miroirs des carreaux, la lumière est déviée, explique Jhabvala. Bien qu'il s'agisse d'une très bonne technologie développée pour les systèmes de télévision par projection, l'une de nos principales exigences est de bloquer complètement toute lumière. Il ne peut pas y avoir de fuite susceptible de corrompre le signal. Les miroirs ne font que dévier la lumière ailleurs, laissant la possibilité que la lumière puisse revenir dans le système. Les volets le bloquent complètement, dit-il.
Au cours des six à neuf prochains mois, avant que les micro-obturateurs ne soient expédiés à l'ESA, les ingénieurs continueront de peaufiner l'appareil. Mais jusqu'à présent, cela s'est bien passé; la technologie a montré qu'elle peut survivre aux rigueurs du lancement dans l'espace et qu'elle fonctionne bien à basse température (−388 °F).
Bien qu'il soit trop tôt pour dire si ce MEMS spatial haut de gamme sera un jour commercialisé, Moseley affirme que les avantages du contrôle absolu de la lumière pourraient être pertinents pour l'imagerie médicale et d'autres applications d'imagerie. La capacité offerte par cette technologie est excellente. Si beaucoup de gens pouvaient l'obtenir, beaucoup de gens le voudraient. Mais pour le rendre utile pour d'autres applications d'imagerie technique… nous devons pouvoir les mettre à l'échelle à une plus grande taille.