Nanocapteurs dans l'espace

Lorsque vous voyagez au-delà de l'atmosphère terrestre, il est crucial de pouvoir mesurer correctement le niveau de divers gaz qui peuvent s'infiltrer dans le vaisseau spatial. Le danger est particulièrement grave pendant les longues missions, lorsque des contaminants peuvent s'accumuler dans l'alimentation en air, menaçant la santé des membres d'équipage et le fonctionnement d'instruments sophistiqués. Les scientifiques de Centre de recherche Ames de la NASA (ARC) et Centre de vol spatial Goddard combattent le problème avec un nouveau nanocapteur chimique, le premier du genre à être testé dans l'espace. Chaque capteur est soit constitué de nanotubes de carbone, soit de nanofils, ce qui lui confère une grande sensibilité.

Capteurs spatiaux : Le nanocapteur chimique développé par la NASA a été monté sur le satellite de la marine Midstar-1 et lancé dans l'espace via la fusée Atlas V (image du haut). Le module nanocapteur (image du milieu) mesure environ 12 centimètres sur 12 centimètres sur 4 centimètres. Il contient une carte d'acquisition de données, un système d'échantillonnage, un réservoir de dioxyde d'azote et la puce du capteur (image du bas). Le nanocapteur est une plaquette de silicium d'un centimètre sur un centimètre qui possède 32 canaux pour la détection et utilise différents matériaux de nanostructure pour la détection.

En mars, la puce nanocapteur, pesant seulement quelques grammes, a voyagé dans l'espace dans un boîtier électronique et mécanique à bord du navire de l'Académie navale. Midstar-1 satellite et a été mis à l'épreuve fin mai. Selon Jing Li, chercheur principal et scientifique principal à la NASA Ames, le capteur a été capable de supporter les conditions intenses, y compris les cycles de température et de pression, dans l'espace, ainsi que les vibrations extrêmes et les changements de gravité qui se produisent pendant le lancement.

La fabrication d'un capteur chimique pour les voyages dans l'espace à l'aide de nanocomposants est très importante, déclare Joseph Stetter, directeur du Microsystems Innovation Center à ISR International , à Menlo Park, Californie. C'est un moyen précieux d'aborder les choses et de résoudre des problèmes dans l'espace.

Les scientifiques de la NASA ont construit les nanocapteurs en enrobant les nanotubes de carbone avec différents polymères qui réagissent avec divers produits chimiques, ou en dopant les nanotubes et les nanofils de carbone avec différentes particules métalliques catalytiques qui agissent comme matériau de détection. Il y a 32 canaux de détection sur une puce ; en fonction du produit chimique à détecter, divers matériaux de nanostructure, nanotubes de carbone ou nanofils d'oxyde métallique – enrobés ou non – sont placés dans chaque canal. Lorsqu'une petite quantité du produit chimique ciblé touche les matériaux de détection, cela déclenche une réaction qui provoque l'augmentation ou la diminution du courant électrique traversant le capteur. Les différentes réponses formeront un motif que le capteur pourra utiliser pour identifier un gaz.

Pour tester le nanocapteur, les scientifiques ont injecté du dioxyde d'azote dans la chambre contenant le nanocapteur. Une fois que le dioxyde d'azote est entré en contact avec les matériaux de détection, le capteur a pu mesurer le changement d'électricité le traversant. Jusqu'à présent, les scientifiques ont testé plus de 15 produits chimiques, dont l'ammoniac, le peroxyde d'hydrogène, le chlorure d'hydrogène et le formaldéhyde.

L'utilisation de nanotubes de carbone pour détecter les produits chimiques peut avoir des avantages significatifs, dit Jiri Janata , professeur à l'école de chimie et de biochimie du Georgia Institute of Technology. D'une part, l'utilisation de matériaux nanostructurés augmente le rapport surface/volume, permettant aux matériaux d'absorber plus de gaz et d'améliorer ainsi la sensibilité.

En plus de la sensibilité potentiellement accrue, les nanocapteurs sont des dispositifs à semi-conducteurs. Cela donne au capteur une durée de vie pouvant aller jusqu'à cinq ans, par rapport à la durée de vie de six à douze mois des capteurs électrochimiques existants.

La puce du capteur elle-même mesure un centimètre carré. Dans son boîtier électronique il fait environ 5,1 centimètres sur 6,4 centimètres sur 2,5 centimètres, et il est sans fil : il peut transmettre les données des capteurs d'un coin d'une pièce à un autre, soit à une distance de 30 mètres. Une faible puissance, une petite taille et un poids léger sont très importants dans l'espace, explique Stetter. L'idée est que nous voulons plus de fonctionnalités dans des packages plus petits, surtout compte tenu du coût pour soulever quelque chose dans l'espace.

Les scientifiques de la NASA espèrent éventuellement placer le nanocapteur à bord de la navette, de la Station spatiale internationale et d'autres véhicules destinés à l'espace. Les ingénieurs du Kennedy Space Center ont également manifesté leur intérêt pour le capteur à placer dans la zone de lancement pour surveiller les fuites de carburant et la dispersion chimique le long du rayon.

La technologie des capteurs est prête pour l'espace, dit Li, mais avant de pouvoir voler dans une mission, ils devront être modifiés en fonction des produits chimiques que la NASA souhaite détecter. Les capteurs devront également passer par le processus de qualification spatiale de la NASA, ce qui peut être une longue aventure en soi.

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