Applications Spatiales & Qualification
Ces activités visent à exploiter des solutions innovantes à base de semi‑conducteurs d’oxydes pour les applications spatiales critiques suivantes :
- Surveillance du climat terrestre depuis l’espace (TRL 7–8)
- Détection et localisation précoce des feux de forêt à haute altitude (TRL 4–5)
- Réduction de l’éblouissement des satellites pour préserver le ciel nocturne de la pollution
lumineuse (TRL 2–4) - Amélioration du rendement des panneaux solaires des satellites grâce à une meilleure capture de l’UVA (TRL 2–4)
1. Surveillance du climat terrestre depuis l’espace
Un moteur clé des activités spatiales de Nanovation a été l’adaptation de ses photodétecteurs UVC à base d’oxyde d’aluminium‑gallium (Al)Ga₂O₃ pour la surveillance du continuum de Herzberg (200–242 nm) depuis l’espace.
Il s’agit d’une région spectrale essentielle mais difficile à étudier, constituant une composante critique du bilan radiatif de la Terre.
Étant donné que le rayonnement UVC est absorbé par la couche d’ozone dans la haute atmosphère, seule une observation depuis l’espace permet de mener les études à long terme nécessaires pour comprendre, suivre et quantifier ses impacts sur le climat terrestre.
Les capteurs (Al)Ga₂O₃ de Nanovation ont été adaptés à cette mission dans le cadre d’un projet de trois ans financé par l’Agence Nationale de la Recherche (programme « DEVINS »).
Dans ce cadre, les photodétecteurs ont été soumis à des essais rigoureux orientés qualification, en conditions simulées de l’environnement spatial, avec un accent mis sur la stabilité, la reproductibilité et la robustesse à long terme :
- Cyclage thermique : cycles répétés entre 230 K et 340 K, représentatifs des variations de température en orbite
- Fonctionnement sous vide : évaluation de la stabilité et de la répétabilité en conditions de basse pression
- Résistance mécanique : essais d’arrachement des fils (wire bond) conformes à la norme MIL‑STD‑883
- Vibrations : excitations sinusoïdales et large bande, de quelques Hz à plusieurs kHz, représentatives des conditions de lancement
Ces essais ont démontré une excellente fiabilité et stabilité des dispositifs dans des conditions représentatives des contraintes de mission.
Les capteurs ont ensuite été lancés en 2023 à bord de SpaceX Transporter‑7 et déployés sur le CubeSat UVSQ INSPIRE‑Sat 7, où ils permettent depuis un suivi en orbite du continuum de Herzberg, validant leur robustesse à long terme ainsi que leur résistance aux radiations dans l’environnement spatial sévère.
2. Détection et localisation précoce des feux depuis haute altitude
Nanovation a été financée (dans le cadre du projet « PROMETHEUS » de l’Agence Spatiale Européenne) pour développer un prototype de système d’imagerie UVC solaire‑aveugle basé sur (Al)Ga₂O₃, destiné à la détection et à la localisation précoces des départs de feu depuis des plateformes à haute altitude.
Concept et approche système
Cette solution exploite le fait que les faibles émissions UVC des flammes peuvent être détectées de manière univoque à longue distance, les capteurs étant intrinsèquement insensibles au bruit de fond solaire. Cela permet une identification optique fiable et à distance des événements d’ignition.
Cependant, une matrice d’imagerie UVC seule offrant un contexte spatial limité, le système combine :
- imagerie UVC solaire‑aveugle
- imagerie dans le visible pour la localisation et le contexte de scène
Cette approche permet une détection robuste associée à une localisation précise, le canal visible fournissant le référentiel spatial nécessaire à l’interprétation du signal UVC.
Demonstrateur prototype
Dans le cadre de ce programme, un prototype entièrement intégré de caméra vidéo d’imagerie fusionnée UVC/visible a été développé et démontré, comprenant :
- une matrice de détection UVC à base de (Al)Ga₂O₃
- un système optique UV dédié et une électronique de lecture associée
- une fusion en temps réel des flux vidéo UVC et visible
Les essais terrain du système prototype ont permis de démontrer :
- la localisation précise d’une source d’émission UVC située à des distances > 100 m
- une immunité totale aux interférences du rayonnement solaire direct
- des capacités de détection et de localisation en temps réel
Pertinence pour des applications spatiales étendues
Ces travaux ouvrent la voie à des alternatives entièrement solides aux systèmes de détection basés sur des photomultiplicateurs, pour des applications nécessitant un faible bruit de fond et une forte sélectivité.
Initialement développée pour la détection d’incendies, cette approche démontre un système d’imagerie UVC solaire‑aveugle à semi‑conducteurs de première génération, ouvrant la voie à un large éventail d’applications de détection et d’imagerie spatiales au‑delà du cas d’usage PROMETHEUS.
Étant donné que l’ozone dans la haute atmosphère bloque le rayonnement UVC, seule une opération depuis l’espace permet d’accéder à cette partie du spectre.
Dans ce contexte, le système démontré constitue une base pour :
- la physique solaire et la surveillance de la météo spatiale, où l’imagerie UVC révèle les processus énergétiques dans la couronne et la chromosphère solaires
- les sciences de l’atmosphère et du système planétaire, via la détection de l’ozone et des gaz traces par leurs signatures spectrales
- l’astronomie ultraviolet, ciblant les étoiles chaudes, les gaz ionisés et les phénomènes astrophysiques énergétiques invisibles à d’autres longueurs d’onde
- la surveillance des satellites et le suivi de la contamination, grâce à la détection de la dégradation des surfaces et des effets induits par les UV
- l’étalonnage d’instruments et les études en astrobiologie, nécessitant des sources UVC contrôlées et la cartographie des flux
Plus généralement, ces travaux démontrent la faisabilité de systèmes d’imagerie UVC compacts et à faible consommation basés sur des semi‑conducteurs, les positionnant comme une alternative crédible aux approches historiques de détection ultraviolette pour les futures missions spatiales.
3. Réduction de l’éblouissement des satellites pour préserver le ciel nocturne
Le déploiement rapide de constellations de satellites ces dernières années a engendré des défis significatifs liés à la lumière solaire réfléchie par les surfaces des satellites, perturbant les observations astronomiques depuis le sol et la visibilité du ciel nocturne.
Pour répondre à cet enjeu, Nanovation a développé des revêtements anti‑éblouissement nanostructurés à base de ZnO, conçus pour supprimer les réflexions spéculaires et réduire la lumière solaire renvoyée vers la Terre.
Une innovation clé de cette approche réside dans le fait que le revêtement est déposé de manière sélective uniquement sur les éléments les plus réfléchissants du satellite, en particulier les parties métalliques telles que les bus bars des panneaux solaires, qui constituent des sources majeures d’éblouissement.
Ceci est rendu possible par un procédé de dépôt breveté, dans lequel les nanostructures de ZnO se forment préférentiellement sur les zones métalliques. Ainsi, seules les parties réfléchissantes du système sont modifiées.
Cette approche constitue une solution ciblée, au niveau des matériaux, à la pollution lumineuse des satellites, fondamentalement différente des revêtements antireflets conventionnels.
4. Amélioration du rendement photovoltaïque spatial par une meilleure capture des UV
Nanovation a démontré que la transparence accrue dans l’UVA des électrodes transparentes à base de (Al)Ga₂O₃ peut améliorer significativement le rendement des cellules solaires par rapport aux électrodes conductrices transparentes conventionnelles.
Bien qu’initialement étudiée pour des applications photovoltaïques terrestres, cette propriété est encore plus pertinente pour les panneaux solaires spatiaux, où le spectre solaire contient une proportion d’ultraviolet significativement plus élevée qu’à la surface de la Terre.
Cette approche ouvre la voie à des panneaux solaires plus efficaces dans l’espace, où la collecte d’énergie constitue un facteur limitant majeur, et où l’accès à une plus grande fraction de l’énergie dans l’ultraviolet représente un avantage déterminant.
Axes émergents : détection des rayons X et des photons de haute énergie
En parallèle des développements UVC, Nanovation développe des détecteurs à base de (Al)Ga₂O₃ pour la détection des rayons X et des photons de haute énergie, actuellement au stade de démonstrateurs en laboratoire.
Ces dispositifs présentent un faible signal d’obscurité et une forte sensibilité sous faibles flux de photons, des caractéristiques particulièrement adaptées à l’instrumentation scientifique spatiale, où les niveaux de signal sont souvent limités.
Bien qu’encore à un stade de maturité précoce, ces travaux ouvrent des perspectives vers :
- des détecteurs X compacts pour missions sur petits satellites
- une instrumentation scientifique à faible flux pour l’étude planétaire et l’espace profond
- des systèmes de détection et de surveillance des radiations
Ces développements constituent une extension à plus long terme de la plateforme semi‑conducteurs à base d’oxydes de Nanovation vers des applications de détection haute énergie dans le spatial.
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