Développement des briques technologiques critiques d’un cryorefroidisseur pour applications spatiales et embarquées – LASCO2

La détection au plus tôt de départ de missiles, le renseignement et la surveillance des gaz à effet de serre sont des défis majeurs défense et civils de notre siècle. Tous ont en commun de nécessiter des imageurs infrarouges embarqués sur satellite. Les meilleures performances de ces systèmes sont obtenues grâce au refroidissement cryogénique des capteurs. Le besoin de surveillance constante de la sphère terrestre impose l’utilisation de constellations de mini-satellites. Il en résulte des contraintes pour les refroidisseurs, qui doivent être miniatures, sans vibrations et peu coûteux.
Le projet LASCO2 propose de progresser vers une nouvelle génération de cryorefroidisseurs spatiaux pouvant répondre à ces critères. Elle est basée sur une révolution technologique : le refroidissement laser. Dans ce système, la source froide est constituée par un cristal excité par un faisceau laser qui absorbe l’énergie et la réémet par fluorescence. Les conditions d’excitations sont telles que la puissance rayonnée est supérieure à la puissance absorbée. Par rapport à un refroidisseur mécanique conventionnel (à tube pulsé par exemple), un refroidisseur laser présente de nombreux avantages : absence de vibrations, faibles perturbations électromagnétiques, très faible volume de la tête froide – le cristal refroidisseur occupant moins de 0,25 centimètres cubes. L’enjeu du développement de cette technologie est de parvenir à un système efficace.
Le record de température est de 87 K avec un cristal YLF dopé ytterbium pompé avec un laser à 1 µm. La théorie prédit une dépendance directe entre la longueur d’onde de pompage et l’efficacité énergétique : plus la première est élevée, meilleure est la seconde. Pour répondre à l’enjeu d’efficacité ce projet propose d’opérer à 2 µm avec des cristaux YLF dopés holmium.
Un cryorefroidisseur laser comporte trois éléments critiques : le cristal qui est le lieu de l’effet Anti-Stokes ; le lien thermique qui conduit la chaleur de la charge thermique vers le cristal ; la source laser qui fournit l’énergie au cristal.
Capitalisant sur les derniers développements, l’objectif du projet est de lever plusieurs verrous technologiques sur ces briques critiques :
• L’intégration du refroidissement laser sur une application spatiale. Cela inclus un axe de pré-qualification mécanique du lien thermique et un axe de pré-conception d’un ensemble détecteur / refroidisseur intégré.
• La comparaison précise des performances de refroidissement des cristaux à 1 µm et 2 µm. Celle-ci s’effectue d’abord par spectroscopie en mesurant l’absorption et la fluorescence, puis par mesure d’efficacité de refroidissement en fonction de la température.
• Le développement d’une nouvelle source laser fibrée à la fois puissante et efficace opérant à 2 µm. Cela inclus le développement d’une source laser fortement accordable pour la caractérisation de cristaux, puis d’une source laser optimisée à la fois en longueur d’onde et en efficacité énergétique.
• La sensibilité aux rayonnements ionisants (protons, électrons) des cristaux refroidisseurs et des fibres pour laser. Comparant les propriétés avant et après irradiations ces mesures permettent de déduire l’évolution de l’efficacité de refroidissement et la puissance du laser de pompe en environnement radiation spatial.
Ce projet permet de sceller l’alliance des acteurs majeurs dans le domaine de la cryogénie et des sources lasers de puissance que sont AL-aT, l’Institut Néel, l’ONERA et l’ISL. En maturant ces éléments, LASCO2 permet de disposer à terme d’une base technologique ouvrant la voie vers de futures applications disruptives civiles comme défense.