Qu'est-ce que le puits

Jan 27, 2024

Des engins spatiaux enveloppés de textiles électroniques riches en capteurs pourraient servir d'instruments scientifiques

Juliana Cherston du MIT [à droite] tient un échantillon de tissu Beta avec capteur comme celui qui volera à bord de la Station spatiale internationale en 2022. À gauche, cet échantillon a trois capteurs à fibre noire tissés dans le matériau.

En février prochain, le vaisseau spatial Cygnus NG-17 sera lancé depuis la NASA Wallops, en Virginie, pour une mission de réapprovisionnement de routine vers la Station spatiale internationale. Parmi les nombreuses tonnes de fournitures d'équipage standard, d'équipements de sortie dans l'espace, de matériel informatique et d'expériences de recherche, il y aura un ensemble inhabituel : une paire d'échantillons de textile électroniques intégrés avec des capteurs d'impact et de vibration. Peu de temps après l'arrivée du vaisseau spatial à l'ISS, un bras robotique montera les échantillons à l'extérieur de l'installation MISSE (Materials ISS Experiment) d'Alpha Space, et les opérateurs de la salle de contrôle de retour sur Terre alimenteront les échantillons.

Au cours des six prochains mois, notre équipe effectuera le premier test opérationnel de tissus électroniques chargés de capteurs dans l'espace, collectant des données en temps réel lorsque les capteurs endurent les conditions météorologiques difficiles de l'orbite terrestre basse. Nous espérons également que la poussière ou les débris microscopiques, voyageant au moins un ordre de grandeur plus vite que le son, heurteront le tissu et déclencheront les capteurs.

Notre objectif à terme est d'utiliser ces textiles électroniques intelligents pour étudier les poussières cosmiques, dont certaines ont des origines interplanétaires, voire interstellaires. Imaginez si le tissu protecteur recouvrant un vaisseau spatial pouvait servir d'expérience d'astrophysique, mais sans ajouter de masse, de volume ou de puissance excessifs. Et si cette peau intelligente pouvait également mesurer les dommages cumulés causés par les débris spatiaux orbitaux et les micrométéoroïdes trop petits pour être suivis par radar ? Les textiles sensoriels des combinaisons spatiales pressurisées pourraient-ils donner aux astronautes une sensation de toucher, comme si le tissu était leur propre peau ? Dans chaque cas, les tissus électroniques sensibles aux vibrations et à la charge pourraient servir de technologie fondamentale.

Déjà, les tissus techniques remplissent des fonctions cruciales ici sur Terre. Des géotextiles faits de polymères synthétiques sont enfouis profondément sous terre pour renforcer les remblais de terre. Les filets chirurgicaux renforcent les tissus et les os lors d'interventions médicales invasives.

Dans l'espace, les parois extérieures de l'ISS sont enveloppées d'un textile technique protecteur qui donne à la station sa couleur blanche. Appelé tissu Beta, le tissu tissé recouvre la coque métallique de la station et protège le vaisseau spatial de la surchauffe et de l'érosion. Le tissu bêta peut également être trouvé à l'extérieur des combinaisons spatiales de l'ère Apollo et des habitats gonflables de nouvelle génération de Bigelow Aerospace. Jusqu'à ce qu'il soit possible de modifier substantiellement le corps humain lui-même, les textiles résistants comme celui-ci continueront de servir de frontière cruciale - une seconde peau - protégeant les explorateurs humains et les vaisseaux spatiaux des extrêmes de l'espace.

Il est maintenant temps d'apporter un peu d'intelligence à cette peau.

Juliana Cherston prépare un système de tissu intelligent dans la salle blanche d'Alpha Space à Houston [haut]. L'électronique dans la boîte de matériel de vol argentée [en bas] transmet les données à l'ordinateur dans la boîte bleue. Le système, dont le lancement est prévu en février, sera monté sur l'installation d'expérimentation de l'ISS sur les matériaux.Allison Goode/Aegis Aerospace

Notre laboratoire, le Responsive Environments Group du MIT, travaille depuis plus d'une décennie sur l'intégration de réseaux de capteurs distribués dans des substrats flexibles. En 2018, nous étions à fond dans le développement d'un concept farfelu pour saisir un astéroïde avec une toile électronique, ce qui permettrait à un réseau de centaines ou de milliers de minuscules robots de ramper sur la surface tout en caractérisant les matériaux de l'astéroïde. La technologie était curieuse à envisager, mais il était peu probable qu'elle soit déployée de sitôt. Lors d'une visite à notre laboratoire, Hajime Yano, scientifique planétaire à l'Institut des sciences spatiales et astronautiques de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale, a suggéré une possibilité à plus court terme : transformer la couverture en tissu Beta utilisée sur les engins spatiaux de longue durée en une expérience scientifique. Ainsi a commencé une collaboration qui a jusqu'à présent abouti à plusieurs séries de prototypes et d'essais au sol et à deux expériences dans l'espace.

L'un des tests est le prochain lancement à bord du Cygnus NG-17, financé par le Laboratoire national de l'ISS. Au fur et à mesure que l'ISS orbite autour de la Terre et que l'environnement spatial local change, nous déclencherons nos capteurs avec des excitations connues pour mesurer la variation de leur sensibilité dans le temps. Parallèlement, nous prendrons des mesures d'impédance, ce qui nous permettra de jeter un coup d'œil sur les propriétés électriques internes des fibres. Toute modification des capacités de protection du tissu Beta sera détectée à l'aide de capteurs de température. Si le système fonctionne comme prévu, nous pouvons même détecter jusqu'à 20 impacts de micrométéoroïdes sur la zone de 10 x 10 centimètres du tissu. Un système de déclenchement signalera toutes les données intéressantes à diffuser sur Terre en temps réel.

Une deuxième expérience dans l'espace est déjà en cours. Depuis plus d'un an, une gamme plus large de nos échantillons de tissus intelligents a été discrètement cachée sur une autre section des murs de l'ISS, sur l'installation Exposed Experiment Handrail Attachment Mechanism (ExHAM) de Space BD. Dans cette expérience, financée par la MIT Media Lab Space Exploration Initiative, les échantillons ne sont pas alimentés. Au lieu de cela, nous surveillons leur exposition à l'environnement spatial, qui peut être difficile pour les matériaux. Ils endurent des cycles répétés de chaleur et de froid extrêmes, de radiations et d'oxygène atomique érodant les matériaux. Grâce aux séances de vidéographie en temps réel que nous avons menées avec l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA), nous avons déjà constaté des signes de décoloration anticipée de nos échantillons. Une fois que les échantillons seront revenus sur Terre fin janvier via la fusée SpaceX CRS-24, nous procéderons à une évaluation plus approfondie des performances des capteurs des tissus.

Une inspection vidéo montre des tissus captés montés sur l'installation Exposed Experiment Handrail Attachment Mechanism (ExHAM) de la Station spatiale internationale. L'expérience, qui a débuté en octobre 2020, étudie la résilience de différents types de capteurs en tissu lorsqu'ils sont exposés à l'environnement difficile de l'orbite terrestre basse. JAXA/Space BD

En démontrant comment incorporer avec élégance des capteurs dans des sous-systèmes critiques, nous espérons encourager l'adoption généralisée des textiles électroniques comme instrumentation scientifique.

Textiles électroniques a pris un départ précoce et de bon augure dans l'espace. Dans les années 1960, le logiciel de l'ordinateur de guidage Apollo était stocké dans un substrat tissé appelé core rope memory. Les fils ont été alimentés à travers des boucles conductrices pour indiquer les 1 et autour des boucles pour indiquer les 0, atteignant une densité de mémoire de 72 kilo-octets par pied cube (ou environ 2 500 kilo-octets par mètre cube).

À peu près à la même époque, une société appelée Woven Electronics (qui fait maintenant partie de Collins Aerospace) a commencé à développer des prototypes de circuits imprimés en tissu considérés comme bien en avance sur leur temps. Pendant un moment éphémère dans l'informatique, les circuits en tissu tissé et la mémoire à corde centrale étaient en concurrence avec la technologie des semi-conducteurs au silicium.

Les tissus électroniques sont ensuite tombés dans une longue pause, jusqu'à ce que l'intérêt pour la technologie portable dans les années 1990 ravive l'idée. Notre groupe a lancé quelques premiers prototypes, travaillant, par exemple, avec Levi's à la fin des années 90 sur une veste en jean avec un clavier MIDI brodé. Depuis lors, les chercheurs et les entreprises ont créé une pléthore de technologies de détection dans les tissus, en particulier pour les vêtements liés à la santé, comme des capteurs flexibles portés sur la peau qui surveillent votre bien-être grâce à votre transpiration, votre fréquence cardiaque et votre température corporelle.

Plus récemment, des capteurs à fibre sophistiqués ont poussé encore plus loin les performances et les capacités des textiles électroniques. Nos collaborateurs du groupe Fibers@MIT, par exemple, utilisent une technique de fabrication appelée étirage thermique, dans laquelle un sandwich de matériaux d'un centimètre d'épaisseur est chauffé et étiré jusqu'à une épaisseur submillimétrique, comme tirer une tire multicolore. Incroyablement, la structure interne de la fibre résultante reste très précise, produisant des dispositifs fonctionnels tels que des capteurs de vibration, de lumière et de température qui peuvent être tissés directement dans les tissus.

Pour fabriquer un capteur à fibre piézoélectrique, les chercheurs du groupe Fibers@MIT prennent des matériaux en sandwich, puis les chauffent et les étirent comme de la tire. Les fils de cuivre faibles sont utilisés pour établir un contact électrique avec les matériaux à l'intérieur de la fibre. Les fibres peuvent ensuite être tissées en tissu Beta. Bob O'Connor

Mais ces progrès passionnants n'ont pas encore fait leur chemin vers les textiles spatiaux. Les combinaisons spatiales d'aujourd'hui ne sont pas trop différentes de celle qu'Alan Shepard portait à l'intérieur de Freedom 7 en 1961. Les conceptions récentes de combinaisons se sont plutôt concentrées sur l'amélioration de la mobilité et de la régulation de la température de l'astronaute. Ils peuvent avoir des doigts compatibles avec l'écran tactile, mais c'est à peu près aussi sophistiqué que la fonctionnalité l'est.

Pendant ce temps, le tissu Beta est utilisé sur les habitats spatiaux sous plus ou moins sa forme actuelle depuis plus d'un demi-siècle. Une poignée d'antennes en tissu et de capteurs de contrainte à fibre optique ont été développés pour les composites rigides. Mais peu a été fait pour ajouter une fonction sensorielle électronique aux textiles que nous utilisons dans l'espace.

Pour lancer cette recherche,notre groupe s'est attaqué à trois domaines : nous avons construit des capteurs de tissu, nous avons travaillé avec des installations spécialisées pour obtenir une référence de la sensibilité des matériaux à l'impact, et nous avons conçu des instruments pour tester ces tissus dans l'espace.

Nous avons commencé par améliorer le tissu Beta, qui est un tissu imprégné de téflon composé de filaments de fibre de verre flexibles qui sont tissés de manière si dense que le matériau ressemble presque à une feuille de papier épaisse. À cette couche protectrice, nous voulions ajouter la capacité de détecter les minuscules impacts submillimétriques ou micrométriques de la poussière cosmique. Ces microparticules se déplacent rapidement, à des vitesses allant jusqu'à 50 kilomètres par seconde, avec une vitesse moyenne d'environ 10 km/s. Une particule à dominante fer de 10 micromètres se déplaçant à cette vitesse contient environ 75 microjoules d'énergie cinétique. Ce n'est pas beaucoup d'énergie, mais il peut quand même porter un coup de poing lorsqu'il est concentré sur une petite zone d'impact. L'étude de la cinématique et des distributions spatiales de ces impacts peut donner aux scientifiques un aperçu de la composition et des origines de la poussière cosmique. De plus, ces impacts peuvent causer des dommages importants aux engins spatiaux, nous aimerions donc mesurer leur fréquence et leur énergie.

Une réplique de la charge utile en tissu intelligent qui sera lancée en février montre l'électronique et les couches internes. Bob O'Connor

Quel type de capteurs de tissu serait suffisamment sensible pour capter les signaux de ces minuscules impacts ? Très tôt, nous avons opté pour l'utilisation de fibres piézoélectriques. Les matériaux piézoélectriques produisent une charge de surface lorsqu'ils sont soumis à une déformation mécanique. Lorsqu'une couche piézoélectrique est prise en sandwich entre deux électrodes, elle forme un capteur capable de traduire les vibrations mécaniques en courant. Des capteurs d'impact piézoélectriques ont déjà été utilisés sur des engins spatiaux, mais jamais dans le cadre d'un tissu ou sous forme de fibres dispersées.

L'une des principales exigences des piézoélectriques est que les dipôles électriques à l'intérieur du matériau doivent tous être alignés pour que la charge s'accumule. Pour aligner en permanence les dipôles - un processus appelé polarisation - nous devons appliquer un champ électrique substantiel d'environ 100 kilovolts pour chaque millimètre d'épaisseur.

Très tôt, nous avons expérimenté le tissage de fils de difluorure de polyvinylidène nus dans du tissu Beta. Ce fil monomatière a l'avantage d'être aussi fin et souple que les fibres des vêtements et il est également résistant aux radiations et à l'abrasion. De plus, le processus de fibrage crée une structure de phase cristalline qui encourage la polarisation. Cependant, l'application d'une forte tension au tissu a rendu tout air emprisonné dans le matériau poreux conducteur d'électricité, provoquant des éclairs miniatures à travers le matériau et gâchant le processus de polarisation. Nous avons essayé une multitude d'astuces pour minimiser les arcs et nous avons testé des revêtements d'encre piézoélectrique appliqués sur le tissu.

Imaginez si le tissu protecteur recouvrant un vaisseau spatial pouvait servir d'expérience d'astrophysique, mais sans ajouter de masse, de volume ou de puissance excessifs.

En fin de compte, cependant, nous avons déterminé que les capteurs à fibres multimatériaux étaient préférables aux fils à un seul matériau, car l'alignement dipolaire ne doit se produire que sur des distances très petites et précises au sein de chaque capteur à fibre, plutôt que sur l'épaisseur d'un tissu ou sur la surface inégale d'un revêtement de tissu. Nous avons choisi deux capteurs à fibre différents. L'une des fibres est une fibre nanocomposite piézocéramique conçue par Fibers@MIT, et l'autre est un polymère que nous avons récolté à partir de câblage piézoélectrique commercial, puis modifié pour convenir à l'intégration de tissus. Nous avons recouvert ces capteurs à fibre d'une encre conductrice élastomère, ainsi que d'un époxy blanc qui maintient les fibres au frais et résiste à l'oxydation.

Pour produire notre tissu, nous avons travaillé avec le fabricant de textiles spatiaux JPS Composite Materials, à Anderson, SC. ​​La société a aidé à insérer nos deux types de fibres piézoélectriques à intervalles dans le tissu et s'est assurée que notre version de tissu Beta respectait toujours les spécifications de la NASA. Nous avons également travaillé avec la Rhode Island School of Design sur la fabrication de tissus.

Le laser vert de l'installation d'essai d'impact de particules induites par laser de l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT accélère les particules à des vitesses supersoniques. Bob O'Connor

Pour tester la sensibilité de notre tissu, nous avons utilisé la plate-forme LIPIT (Laser-Induced Particle Impact Test) conçue par le groupe de Keith Nelson à l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT. Cet appareil de paillasse est conçu pour étudier la façon dont les matériaux réagissent aux impacts des microparticules, comme dans l'administration de médicaments sans aiguille et les revêtements industriels pulvérisés à froid. Lors de nos tests, nous avons utilisé les particules à grande vitesse de la plate-forme pour simuler la poussière spatiale.

Dans une expérience typique, nous avons étalé des particules d'acier allant de quelques micromètres à des dizaines de micromètres sur un film d'or au-dessus d'un substrat de verre, que nous appelons une rampe de lancement. Pour chaque tir, une impulsion laser vaporise le film d'or, exerçant une force impulsive sur les particules et les accélérant à des vitesses de plusieurs centaines de mètres par seconde. Une caméra à grande vitesse capture l'impact des particules d'or sur notre échantillon de tissu cible toutes les quelques nanosecondes, ce qui équivaut à des centaines de millions d'images par seconde.

Jusqu'à présent, nous avons pu détecter des signaux électriques non seulement lorsque les particules heurtaient la surface d'un capteur, mais également lorsque des particules frappaient à 1 ou 2 cm du capteur. Dans certaines images de caméra, il est même possible de voir l'onde acoustique créée par l'impact indirect se propager le long de la surface du tissu et finalement atteindre la fibre piézoélectrique. Ces données prometteuses suggèrent que nous pouvons espacer nos capteurs sur le tissu tout en étant capables de détecter les impacts.

Juliana Cherston et Joe Paradiso du Responsive Environments Group du MIT et Wei Yan du groupe Fibers@MIT font partie de l'équipe à l'origine de l'expérience sur les textiles intelligents lancée en février. Bob O'Connor

Nous nous efforçons maintenant de déterminer à quel point le tissu est sensible, c'est-à-dire les plages de masse et de vitesse des particules qu'il peut enregistrer. Nous devons bientôt tester notre tissu sur un accélérateur Van de Graaff, qui peut propulser des particules de quelques micromètres de diamètre à des vitesses de plusieurs dizaines de kilomètres par seconde, ce qui correspond davantage aux vitesses de poussière interstellaire.

Au-delà des piézoélectriques, nous nous intéressons également à la détection des panaches de charge électrique qui se forment lorsqu'une particule frappe le tissu à grande vitesse. Ces panaches contiennent des indices sur les éléments constitutifs de l'impacteur. L'un de nos échantillons sur l'ISS est une fourrure synthétique électriquement conductrice faite de fibres Vectran argentées. Plus généralement utilisé pour renforcer les câbles électriques, les cordes de badminton et les pneus de vélo, le Vectran est également un élément clé des engins spatiaux gonflables. Dans notre cas, nous l'avons fabriqué comme un tapis ou un manteau de fourrure. Nous pensons que cette conception peut être bien adaptée pour capturer les panaches de charge éjectés par l'impact, ce qui pourrait rendre le détecteur encore plus sensible.

Pendant ce temps, il y a un intérêt croissant dans le portage de textiles détectés sur des combinaisons spatiales. Quelques membres de notre groupe ont travaillé sur un concept préliminaire qui utilise des tissus contenant des capteurs de vibrations, de pression, de proximité et tactiles pour faire la distinction entre un gant, un équipement métallique et un terrain rocheux, exactement le genre de surfaces que les astronautes portant des combinaisons pressurisées rencontreraient. Ces données de capteur sont ensuite mappées sur des actionneurs haptiques sur la propre peau des astronautes, permettant aux porteurs de ressentir de manière vivante leur environnement à travers leurs combinaisons.

Un gros plan du circuit imprimé qui sera utilisé pour contrôler les capteurs de tissu alimentés sur l'expérience MISSE. Bob O'Connor

Sinon, comment un tissu amélioré par un capteur pourrait-il améliorer l'engagement humain avec l'environnement spatial ? Pour les missions de longue durée, les explorateurs résidant pendant des mois à l'intérieur d'un vaisseau spatial ou d'un habitat rechercheront une variété d'expériences. Les capteurs en tissu et à couche mince peuvent détecter la météo spatiale juste à l'extérieur d'un vaisseau spatial ou d'un habitat, puis utiliser ces données pour modifier l'éclairage et la température à l'intérieur. Un système similaire pourrait même imiter certaines conditions externes. Imaginez sentir une brise martienne dans les murs d'un habitat ou le toucher d'un être cher transmis à travers une combinaison spatiale.

Cherston et al. "Peaux électroniques à grande surface dans l'espace : caractérisation de la vision et du vol en amont pour le premier textile électronique piézoélectrique aérospatial", Actes de SPIE.

Wicaksono, Cherston et al. "Electronic Textile Gaia: Substrats de calcul omniprésents à travers des échelles géométriques", IEEE Pervasive Computing.

Yan et al. "Fibres fonctionnelles avancées étirées thermiquement : nouvelle frontière de l'électronique flexible", Materials Today.

Lee, Veysset et al. "Dynamique de l'impact des microparticules supersoniques sur les élastomères révélée par l'imagerie multi-images en temps réel", Nature.

Veyset et al. "Essais d'impact de micro-projectiles à grande vitesse", Lettres d'examen de physique appliquée.

Funase, et al. "Mission Terre-Lune Point de Lagrange par un CubeSat 6U : EQUULEUS," IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine.

Pour concevoir un tissu capable de survivre à des conditions extrêmes, nous prévoyons d'expérimenter des matériaux piézoélectriques dotés d'une résistance intrinsèque à la chaleur et aux radiations, tels que les nanotubes de nitrure de bore, ainsi que des dispositifs présentant une meilleure tolérance intrinsèque au bruit, tels que des capteurs à base de fibres de verre. Nous envisageons également de construire un système capable de s'adapter intelligemment aux conditions locales et aux priorités de la mission, en autorégulant ses taux d'échantillonnage, les gains de signal, etc.

Les tissus électroniques résilients à l'espace sont peut-être encore naissants, mais le travail est profondément transversal. Les designers textiles, les scientifiques des matériaux, les astrophysiciens, les ingénieurs astronautiques, les ingénieurs électriciens, les artistes, les planétologues et les cosmologistes auront tous un rôle à jouer dans la réinvention des revêtements extérieurs des futurs engins spatiaux et combinaisons spatiales. Cette peau, limite de la personne et démarcation du lieu, est un bien immobilier prêt à être utilisé.

Cet article apparaît dans le numéro imprimé de décembre 2021 sous le titre "The Smartly Dressed Spacecraft".