graphène

Un projet de l'ESA avec Adamant Composites en Grèce a testé comment l'ajout de graphène (et d'autres matériaux nanométriques) peut optimiser les propriétés thermiques et électriques d'un satellite.

Le vide sans air de l'espace est un endroit où un satellite peut être chaud et froid en même temps, avec une partie au soleil et le reste à l'ombre. Les scientifiques s'efforcent de minimiser les températures extrêmes dans le corps d'un satellite, car les accumulations de chaleur peuvent entraîner le désalignement ou même le flambage des pièces. Un autre résultat indésirable dans des conditions de vide hautement isolantes est que les surfaces des satellites accumulent une charge électrique, ce qui peut éventuellement entraîner des décharges perturbatrices ou dommageables. Les matériaux composites supplantent de plus en plus les pièces métalliques traditionnelles à bord des satellites, mais ces matériaux à base de polymères possèdent une conductivité thermique et électrique plus faible, ce qui aggrave ces problèmes.

Traditionnellement, pour éviter de tels effets, les concepteurs de mission insèrent une infrastructure conductrice de chaleur dédiée, telle que des sangles et des tuyaux chauffants, tandis que des bandes de mise à la terre métalliques autour des régions du satellite fournissent des chemins conducteurs.

Dans le cadre d'une stratégie complémentaire, la société grecque Adamant Composites a supervisé un projet de l'ESA visant à ajouter du graphène et d'autres matériaux 2D sur une base «nano-habilitante» aux matériaux composites préimprégnés utilisés pour fabriquer des panneaux satellites, ainsi qu'aux adhésifs utilisés pour intégrer des inserts à assembler des pièces structurelles et/ou coller l'électronique embarquée.

Le projet a été soutenu par le Programme de technologie de soutien général (GSTP) de l'ESA, préparant des technologies prometteuses pour l'espace et le marché libre, avec des tests effectués par le Laboratoire de mécanique appliquée de l'Université de Patras, au niveau des matériaux, et Beyond Gravity en Allemagne, effectuant qualification au niveau du panel.

Athanasios Baltopoulos, directeur commercial d'Adamant Composites explique : « L'idée a été d'utiliser la nanotechnologie pour modifier ces matériaux composites structuraux afin d'augmenter leurs performances thermiques et électriques. Nous avions prouvé le concept pour l'espace dans des activités précédentes.

Nicolas Blasakis, Ingénieur Matériaux & Procédés chez Adamant Composites, ajoute : « Nous savions déjà que cela fonctionnerait en principe, donc ce n'était pas une étude fondamentale. L'objectif était plutôt de faire mûrir les produits et de valider qu'il peut fonctionner environnement industriel approprié."

Le projet a débuté par la caractérisation de la stabilité des matériaux et des processus impliqués, puis la qualification de la composante spatiale résultante - qui impliquait des démonstrations matérielles dans des environnements mécaniques et thermiques représentatifs.

Deux panneaux sandwich en polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP) de 0,5 x 1 m ont été fabriqués pour les tests : l'un utilisant des matériaux conventionnels et l'autre des équivalents nano-activés. Avec des mannequins de masse appropriés assemblés dessus et des adaptateurs de test, les deux panneaux ont été soumis à des vibrations et à des cycles thermiques simulant les conditions environnementales pertinentes. Des inspections supplémentaires telles que des « essais au marteau » et un suivi au laser ont été effectuées pour confirmer qu'ils répondaient aux exigences définies.

Pour révéler l'avantage thermique de l'utilisation de matériaux nano-activés, un modèle d'ingénierie dédié de plus petite taille a été développé où des vis personnalisées ont été utilisées pour injecter de la chaleur dans des inserts standard des panneaux et pour étudier sa propagation sous vide et à des températures environnementales variables. La tomographie aux rayons X a donné un aperçu supplémentaire de la qualité de l'enrobage, en termes d'uniformité du processus d'application de l'adhésif.

L'ajout de graphène au matériau adhésif a augmenté sa conductivité électrique de plusieurs ordres de grandeur, tout en triplant sa conductivité thermique et en maintenant ses performances structurelles. En parallèle, le CFRP a présenté une augmentation de 25 % de la conductivité thermique dans le composite dans le sens de l'épaisseur. Au niveau du panneau, ceux-ci apportent une suppression significative des écarts de température, réduisant de moitié les gradients thermiques.

Le Dr Baltopoulos a expliqué : "La chose la plus importante obtenue est la confirmation que la technologie fonctionne bien en suivant les étapes vers l'industrialisation, qu'elle peut soutenir un projet de volume réel et que nous sommes prêts à aller plus loin. Si nous devions utiliser ces nano -en activant les technologies pour une mission réelle, nous pourrions alors permettre une réduction de masse et un meilleur contrôle, en supprimant les pièces thermiques et électriquement conductrices redondantes grâce à la conception."

Les résultats valident également la capacité de l'entreprise à fabriquer des panneaux satellites à partir de matériaux conventionnels et nano-activés, ce qui représente une nouvelle capacité industrielle pour la Grèce, qui permettra à Adamant Composites d'explorer la possibilité de participer à de futures missions européennes et/ou nationales de petits satellites.

Dans une prochaine étape, la société prévoit d'étudier comment les matériaux nano-habilitants pourraient être combinés avec des éléments thermiques plus typiques pour des performances améliorées, tels que des radiateurs et des caloducs.

Le responsable technique de l'ESA pour le projet, Benoit Bonvoisin, commente "L'idée de la nano-activation nous donne la possibilité d'adapter les matériaux composites. Cela semble également prometteur pour d'autres applications, telles que l'amélioration de la "démisabilité" sûre du CFRP - en veillant à ce qu'il brûle lors de la rentrée atmosphérique pour éviter tout danger pour les personnes ou les biens au sol.

"La collaboration avec l'ESA sur ce projet a eu de nombreux avantages", ajoute M. Blasakis. "En termes de connaissance du marché, les missions de l'ESA représentent des clients finaux potentiels pour ces développements, nous avons donc acquis une perspective utile. Et, avec le soutien de notre responsable technique de l'ESA et de leurs collègues ingénieurs, nous avons également accès à certains équipements spécialisés. pour les essais de matériaux, au besoin.

"Les conseils de l'ESA nous ont permis d'être mis en contact avec la personne appropriée pour répondre à nos questions, pour savoir comment les processus que nous établissons sont alignés sur les exigences de l'industrie, ce qui s'est avéré très utile tout au long de l'évolution d'une jeune entreprise comme la nôtre."