L’ESA prévoit de lancer sa mission FLEX en 2025. L’objectif est de collecter depuis l’espace des données sur la végétation terrestre. Pour le spectromètre embarqué à bord du satellite, des chercheurs de l’Institut Fraunhofer d’optique appliquée et d’ingénierie de précision IOF d’Iéna ont développé et fabriqué un ensemble à double fente d’une précision exceptionnelle ainsi que deux miroirs de haute précision. La double fente sera présentée à SPIE Photonics Ouest à San Francisco du 30 janvier au 1er février.
Quelle quantité de lumière les plantes émettent-elles et que peut nous dire cette émission de lumière sur la santé des plantes ? La mission de l’ESA « FLuorescence Explorer Mission » (FLEX) abordera cette question à partir de 2025. Au cœur du satellite se trouvera le « Fluorescence Imaging Spectrometer » (FLORIS en abrégé).
Contrairement à de nombreux autres spectromètres, FLORIS ne fonctionne pas avec un seul canal lumineux, mais avec deux. « Cela signifie qu’il faut deux fentes optiques par lesquelles la lumière peut pénétrer dans l’instrument », explique Falk Kemper. Kemper est chercheur au Fraunhofer IOF et dirige le projet FLEX à l’institut. « Pour créer ces deux canaux, il faut un agencement de deux fentes de haute précision, ce qu’on appelle une double fente. C’est exactement ce que nous avons développé et fabriqué à Iéna, ainsi que des miroirs de haute précision pour le spectromètre. »
Composants pour spectromètres spatiaux d’une précision exceptionnelle
La particularité du montage double fente est sa précision exceptionnelle : chaque fente du montage double fente doit être fabriquée avec une largeur exacte de 85 (+/-1) micromètres, et ce sur une longueur de 44,15 millimètres. « Des fentes trop larges ou trop étroites auraient guidé trop ou pas assez de lumière sur le détecteur, rendant impossible l’évaluation de la composante lumineuse intéressante pour la mission », explique Kemper.
Des exigences particulières s’appliquaient également aux miroirs fabriqués à Iéna et destinés à guider la lumière vers le détecteur à l’intérieur du spectromètre : ceux-ci devaient avoir une exigence de rugosité de 0,3 nanomètres efficaces (valeur efficace). « Cela correspond à peu près à la distance entre un et deux atomes », explique Kemper. « Les exigences étaient incroyablement élevées et se situaient à la limite de ce qui était techniquement réalisable. »
Structuration lithographique spéciale pour double fente à base de silicium
La double fente a été réalisée à base de silicium. Une chaîne de processus lithographique spéciale a été développée chez Fraunhofer IOF pour la production, dans laquelle les techniques de structuration lithographique ont été adaptées pour graver des tranches de silicium : « Notre stratégie consistait à masquer les tranches de silicium, à les développer et à les graver par voie humide de manière contrôlée dans le temps », explique le chef de projet, expliquant le processus. « En raison des très hautes précisions requises, nous avons dû procéder à de nombreuses itérations de paramètres pour que la chaîne de production soit si stable que les fentes puissent être produites conformément aux exigences. »
Enfin, les fentes ont reçu un revêtement noir afin d’obtenir la réflectivité optique et la densité optique spécifiées. « Le revêtement noir des fentes a également entraîné une modification de la géométrie des fentes et a dû être conservé en conséquence lors de la gravure des fentes. »
Montage robuste pour utilisation dans les spectromètres spatiaux
Le dispositif est conçu de telle sorte que la double fente en silicium soit montée dans un support mécanique. Là, les deux fentes fragiles devaient être montées très parallèles aux ouvertures du support, c’est-à-dire avec une précision inférieure à 5 micromètres et une planéité de fente inférieure à 10 micromètres. De plus, les deux fentes devaient être installées de manière à ne pas se déformer ou se briser, même en cas de fortes vibrations, fluctuations de température et accélérations lors du lancement du satellite FLEX.
Afin de garantir la robustesse nécessaire de l’assemblage, les chercheurs du Fraunhofer IOF ont donc développé un concept d’assemblage spécial, c’est-à-dire une stratégie permettant d’assembler différents composants pour former un assemblage. « Ce résultat a été obtenu grâce à une combinaison de verrouillage positif, de serrage et de collage », rapporte Kemper.
La double fente permet au spectromètre d’effectuer une analyse de la lumière plus fine et plus large
La conception particulière du spectromètre FLORIS à double fente offre un avantage décisif pour les objectifs de la mission FLEX : « La double fente permet d’exploiter deux canaux dans le spectromètre : un pour la haute résolution et un pour la basse résolution », dit Falk Kemper.
Le canal haute résolution peut détecter les plus petites différences dans les longueurs d’onde de la lumière, tandis que le canal basse résolution peut capturer des zones plus larges du spectre lumineux. La combinaison des deux canaux permet une analyse plus complète de la lumière et donc une analyse détaillée de la végétation végétale.
Mission FLEX pour surveiller les données de végétation sur Terre
La mission FLuorescence Explorer, dont le lancement est prévu en 2025, fournira des cartes mondiales de la fluorescence des plantes, c’est-à-dire l’émission de lumière par les plantes. Ces données sont destinées à fournir des informations sur l’activité photosynthétique ainsi que sur la santé et le stress des plantes.
Ces données sont non seulement importantes pour une meilleure compréhension du cycle mondial du carbone, mais également pour l’agriculture et la sécurité alimentaire future dans le contexte d’une population mondiale croissante. Jusqu’à présent, il n’était pas possible de mesurer l’activité photosynthétique des plantes depuis l’espace.