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

Optical cryocooler design and demonstration for space applications

• Auteur / Autrice : Rémi Vicente
• Direction : Gilles Nogues, Arnaud 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 ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Boulanger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Berthon, Michel Brune
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ammar Sharaia, Alberto Di Lieto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Refroidissement laser

Mots clés libres

Cryogénie

Laser

Optique

Cristaux

Terres rares

Spatial

Laser

Cryogenics

Rare earths

Space

Optics

Crystals

Résumé

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.

Optical refrigeration in solids or laser cooling in solids is a breakthrough technology, reaching cryogenic temperatures (below 120 K - 150 K) by the illumination of rare-earths ions doped crystals with an infrared laser at the adapted wavelength. The excitation of such a crystal near the gap wavelengths between fundamental and excited ionic states allows to predominantly stimulate the Anti-Stokes emission process, phenomenon by which the crystal re-emits more light than it has absorbed, hence cooling it down. Cryocoolers based on this revolutionary principle have the potential to ease or render possible a number of instrumental applications where vibrations and the bulkiness of traditional mechanical cryocoolers (ex.: Stirling/Pulse-Tube, Joule-Thomson, Turbo-Brayton) are stumbling blocks. The historical major targeted application is the cooling of detectors onboard Earth observation satellites, especially in the most sensitive instruments where vibrations are detrimental for performances, or onboard small satellites such as Microsatellites or even Nanosatellites, disposing of limited payloads and strong associated constraints. This thesis inserts in the frame of a French collaboration between Air Liquide Advanced Technologies (Sassenage), European leader of space cryogenics and Institut Néel, CNRS (Grenoble). The first goal of my thesis was to demonstrate the operation of a Laser Cryocooler prototype aimed at space applications for the first time in Europe. In three years, we successfully designed, developed and operated a Laser Cooler laboratory prototype capable of reaching cryogenics temperatures, thus advancing this technology to TRL 3 maturity. The 7.5 % Ytterbium doped YLF cooling crystal lent by the University of Pisa for our experiment is capable of cooling down to temperatures close to 120 K (-153 °C) with 10 W of absorbed laser power in about 30 minutes. In our system, the laser is supplied to the cooling crystal through an optical fiber in order to already take into account some of the constraints in a satellite application, making it a world premiere. The second goal of my thesis was to study the feasibility and suitability of Laser Cryocoolers for future Earth observation satellites. Based on the power architecture of small low earth orbit infrared observation satellites, we compared the balance of a solution with a Laser Cryocooler versus a Pulse-Tube based solution in terms of size, weight and power at the level of the whole satellite. We show that a Laser Cryocooler is a compact system which allows for internal volume and mass savings in the payload part, on top of its other advantages. Laser Cryocoolers are miniaturized, vibration-less and features reduced thermal losses due to the optical and contact-free nature of the technology. This work hence opens the way to a new family of optical cryocoolers for future space applications.