Thèse soutenue

Conception et démonstration d'un refroidisseur optique cryogénique pour les applications spatiales

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Auteur / Autrice : Rémi Vicente
Direction : Gilles NoguesArnaud Gardelein
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique appliquée
Date : Soutenance le 29/06/2021
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France)
Jury : Président / Présidente : Benoît Boulanger
Examinateurs / Examinatrices : Jacques Berthon, Michel Brune
Rapporteurs / Rapporteuses : Ammar Sharaia, Alberto Di Lieto

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Le refroidissement optique dans les solides ou refroidissement laser dans les solides est une technologie de rupture, atteignant des températures cryogéniques (inférieures à 120 K - 150 K) par l’éclairement de cristaux dopés aux ions de terre-rares avec un laser infrarouge à la longueur d'onde adaptée. L’excitation d’un tel cristal aux longueurs d’ondes proches du gap entre états fondamentaux et états excités ioniques permet de stimuler préférentiellement le processus d'émission Anti-Stokes, phénomène par lequel le cristal réémet plus de puissance lumineuse que ce qu’il a absorbé, provoquant ainsi son refroidissement. Les cryo-refroidisseurs basés sur ce principe révolutionnaire ont le potentiel de faciliter ou rendre possible nombre d'applications ou les vibrations et l'encombrement des cryo-refroidisseurs mécaniques traditionnels (ex. : Stirling/Pulse-Tube, Joule-Thomson, Turbo-Brayton) sont des points bloquants. L’application majeure historiquement visée est le refroidissement des détecteurs à bord des satellites d’observation de la terre, particulièrement dans les instruments les plus sensibles pour lesquels les vibrations sont préjudiciables aux performances, ou encore à bord de petits satellites du type Microsatellite ou même Nanosatellite, disposant d'une partie charge utile réduite et de fortes contraintes associées. Cette thèse s'inscrit au sein d’une collaboration française entre Air Liquide Advanced Technologies (Sassenage), leader Européen de la cryogénie spatiale et l’Institut Néel, CNRS (Grenoble). Le premier but de ma thèse a été de démontrer le fonctionnement d'un prototype de Cryo-refroidisseur Laser en vue d'applications spatiales pour la première fois en Europe. En trois ans, nous avons conçu, développé et fait marcher un prototype de refroidisseur Laser capable d'atteindre des températures cryogéniques, avançant ainsi la maturité de cette technologie au niveau TRL 3. Le cristal refroidisseur de YLF dopé à 7.5 % Ytterbium prêté par l'Université de Pise pour notre expérience est capable de refroidir à des températures proches de 120 K (-153 °C) avec 10 W de puissance laser absorbée en environ 30 minutes. Dans notre système, le laser est acheminé vers le cristal refroidisseur à travers une fibre optique dans le but de déjà prendre en compte certaines contraintes d'une application satellite, pour la première fois au monde. Le second but de ma thèse a été d'étudier la faisabilité et la pertinence d'un Cryo-refroidisseur Laser pour les futurs satellites d'observation de la Terre. Basés sur l'architecture électrique des petits satellites d'observation infrarouge, nous avons comparé le bilan d'une solution Cryo-refroidisseur Laser versus solution Pulse-Tube en termes de volume, poids et puissance au niveau du satellite complet. Nous montrons que le Cryo-refoidisseur Laser est un système compact qui permet des économies de volume interne et de masse dans la partie charge utile, en plus de ses autres avantages. Les Cryo-refroidisseurs Laser sont miniaturisés, sans vibrations et présentent des pertes thermiques réduites de part la nature optique et sans contact de la technologie. Ce travail ouvre donc la voie vers une nouvelle famille de cryo-refroidisseurs optiques pour les futures applications spatiales.