Y avait-il de la vie sur Mars ? C’est la question à laquelle l’Agence spatiale européenne (ESA) se propose de répondre avec sa mission ExoMars. La mission, à laquelle la Russie participe, devrait être lancée cet automne, bien que les récents développements politiques aient soulevé des questions quant à savoir si cela sera possible. Une partie de la mission est un système analytique passionnant qui a été conçu pour fonctionner dans l’espace et a été créé dans le cadre des travaux de recherche menés à l’Institut Fraunhofer d’optique appliquée et d’ingénierie de précision IOF. Les chercheurs basés à Jena ont développé le module laser miniaturisé pour le laboratoire mobile du rover ExoMars. L’institut présentera ce spectromètre Raman, équipé d’un laser à semi-conducteurs pompé par diode et de la taille d’une pièce de 50 cents, au Laser World of Photonics à Munich du 26 au 29 avril.
Le rover « Rosalind Franklin » analysera les composés minéralogiques à la surface de Mars, à environ 56 millions de kilomètres de la Terre, afin de rechercher des traces de vie extraterrestre sur la planète. Pour ce faire, le véhicule dispose d’une perceuse embarquée et d’un ensemble d’instruments scientifiques. L’un de ces instruments est un appareil appelé spectromètre Raman. Il peut être utilisé pour analyser la diffusion de la lumière à partir de molécules, par exemple dans l’atmosphère, ou de solides tels que des échantillons de roche. La pièce maîtresse de la source laser fortement miniaturisée et digne de l’espace du spectromètre est un laser à semi-conducteurs pompé par diode avec doublement de fréquence, construit à Fraunhofer IOF à Iéna.
Le spectromètre Raman fonctionne comme suit : Une lumière laser est émise, qui interagit avec le matériau à analyser. Cela provoque ce qu’on appelle « l’effet Raman ». L’énergie de la lumière passe au matériau et inversement. Cela modifie l’énergie lumineuse, modifiant sa longueur d’onde. La lumière est ensuite diffusée vers le spectromètre, où les changements de longueur d’onde sont analysés. Les différences entre la nouvelle fréquence et la fréquence originale de la lumière émise peuvent être utilisées pour tirer des conclusions sur la composition du matériau.
Composants minuscules mais incroyablement robustes
Le laser vert construit à Iéna fonctionne à une longueur d’onde de 532 nanomètres et plus de 100 mégawatts. « Au total, nos chercheurs ont investi sept ans de temps de développement afin d’adapter le module aux défis spécifiques de l’exploitation dans l’espace », explique le Dr Erik Beckert, chef de projet du laser ExoMars au Fraunhofer IOF. L’un des défis communs pour les projets opérant dans l’espace est la nécessité pour les composants d’être particulièrement petits et légers. Par exemple, le laser, y compris son boîtier, n’ajoute que 50 grammes de poids au rover, soit la même chose qu’une demi-barre de chocolat.
Mais, malgré sa miniaturisation, il doit offrir le même niveau de performances et de robustesse. Les composants optiques sensibles doivent également être construits pour résister aux fluctuations de température entre -130 et +24 degrés et à une exposition importante aux radiations dans l’espace, ainsi qu’aux fortes vibrations lorsque le rover se lance et atterrit.
Les procédés classiques d’assemblage de composants optiques ne sont pas adaptés à ces conditions extrêmes. « C’est pourquoi nous avons connecté tous les composants du résonateur laser sensible et de l’optique secondaire à l’aide d’une technique de soudure au laser », explique Beckert. « Cela assure une stabilité particulièrement forte face aux effets thermiques et mécaniques et à une exposition intense aux radiations. » En collaboration avec le fabricant espagnol de lasers Monocrom, l’institut basé à Jena a créé un total de cinq lasers structurellement identiques au fil des ans pour une utilisation dans le spectromètre Raman. Maintenant, les chercheurs espèrent que leur technique pourra bientôt être lancée dans l’espace avec la mission Mars.