Des mini-robots dans de grands télescopes
Faulhaber fournit des moteurs et systèmes précis
Au cours des cinq prochaines années, SDSS-V observera quatre millions d'étoiles et 300.000 trous noirs, reconstituera les développements de l'évolution du cosmos et vérifiera les modèles physiques de la naissance de notre galaxie. C'est littéralement une tâche aux proportions cosmiques. Dans chaque grand télescope, 500 petits robots alignent les unités optiques avec une extrême précision.
La plus grande carte 3D de l'univers
SDSS est l'acronyme de Sloan Digital Sky Survey, une collaboration d'astrophysiciens du monde entier. L'année dernière, ils ont déjà franchi une étape importante en astronomie, avec la plus grande carte en 3D de l'univers. Les chercheurs travaillent en permanence sur divers projets, en utilisant de nombreux télescopes et autres instruments scientifiques.
Six millions d'objets en vue
Le dernier projet en date est SDSS-V, qui vise à faire un nouveau bond en avant dans notre compréhension des processus physiques dans l'espace. Son objectif est la "première observation spectroscopique de l'ensemble du ciel dans différentes dimensions astronomiques du temps dans le spectre lumineux optique et infrarouge". Au total, les chercheurs ont l'intention de se concentrer sur plus de six millions d'objets.
Repérer les supernovas
Deux grands télescopes recueillent les données sur les trous noirs et les mesures de la Voie lactée: Apache Point au Nouveau-Mexique et Las Campanas au Chili. Grâce à la double perspective à partir des hémisphères nord et sud, le ciel peut être observé dans toutes les directions.
Les télescopes des deux observatoires contiennent des fibres optiques dirigées vers des objets spécifiques de l'univers. Ainsi, les étoiles individuelles ou les disques d'accrétion lumineux autour des trous noirs peuvent être observés et analysés avec précision.
"Auparavant, nous devions fabriquer des plaques spéciales pour toutes les différentes tâches d'observation. Chaque plaque a nécessité des semaines de préparation. Les fibres ont ensuite été fixées à la main dans la plaque. C'était un processus incroyablement compliqué et long", explique M. Kneib.
Les astrorobots repositionnent les fibres optiques très rapidement
Grâce à la nouvelle technologie développée spécifiquement pour SDSS-V, il ne faut plus des semaines pour repositionner les fibres, mais une minute seulement. Les fibres sont maintenant orientées par 500 petites machines - que les astronomes appellent des "Astrorobots" - dans chaque télescope. Cela permet aux chercheurs de réagir instantanément à des événements inattendus dans le cosmos.
Par exemple, si d'autres télescopes enregistrent une supernova, l'un des éléments optiques peut être orienté vers les coordonnées correspondantes presque sans délai. Cela permet une analyse détaillée des processus physico-chimiques au cours de l'évolution d'une supernova, ce qui était auparavant hors de portée avec ce type d'instrument.
Précision au micromètre près
Chaque petit Astrorobot est constitué de deux cylindres minces disposés dans le sens de la longueur avec une extension incurvée à l'avant. Le cylindre arrière est légèrement plus épais et est fixé dans la plaque du télescope. Il agit comme l'unité alpha et fait tourner l'axe central de l'Astrorobot. L'unité bêta est montée de façon excentrique à l'avant. Elle déplace de la même manière les extrémités des fibres dans l'extrémité incurvée sur une orbite circulaire.
La combinaison de ces deux mouvements axiaux permet de positionner librement les extrémités des fibres dans une zone circulaire. Chaque cercle couvert par un des Astrorobots chevauche partiellement les cercles des unités adjacentes. Ainsi, tout point du ciel situé dans le champ de détection du télescope peut être automatiquement "repéré".
Le petit Astrorobot contient trois fibres optiques. Une fibre enregistre la lumière dans le spectre visible, la seconde est conçue pour la lumière infrarouge. La troisième fibre est destinée à l'étalonnage et prend en charge le positionnement en trois étapes des extrémités de la fibre.
La précision est de quelques micromètres. Lors d'un alignement initial approximatif, les deux moteurs robotiques tournent jusqu'à ce que la fibre soit dirigée vers l'objet cible à observer avec une déviation moyenne de 50 µm. Une caméra dans le télescope est pointée sur les extrémités avant. Celle-ci détecte l'extrémité et mesure la position de la fibre d'étalonnage. Ensuite, la tête du robot est alignée en deux autres étapes de positionnement avec une déviation inférieure à 5 µm.
Examiner plus rapidement
Jean-Paul Kneib: "L'alignement automatique nous fait gagner énormément de temps. Par conséquent, nous pouvons observer beaucoup plus d'objets et prendre plus de mesures individuelles à cette fin. L'extrême précision amplifie cet effet avec un multiplicateur supplémentaire. Les fibres optiques ont un diamètre d'une centaine de micromètres.
Le diamètre du point lumineux d'un objet du cosmos qui frappe le télescope est tout aussi grand - ou plutôt, petit. Plus ces deux petites surfaces sont alignées l'une par rapport à l'autre, plus nous disposons de lumière pour nos mesures. Et plus vite nous obtenons des résultats valables."
Mécanique de précision de FAULHABER
Cette extrême précision impose des exigences techniques élevées. Les moteurs et les réducteurs de FAULHABER répondent à ces exigences. MPS (Micro Precision Systems), une filiale suisse de FAULHABER, a également fourni la mécanique de précision, qui a été spécialement développée pour cette application.
Les deux axes du robot sont entraînés par des servomoteurs DC sans balais de la série 1218 ... B pour l'axe alpha et la série 0620 ... B pour l'axe bêta. Les deux premiers chiffres de cette désignation de type correspondent au diamètre du microdrive: 12 et 6 µm, respectivement. Leur puissance est transmise par des réducteurs planétaires à la mécanique du robot, développée et construite par MPS. Des encodeurs intégrés transmettent les positions du moteur au contrôleur.
Précision sans jeu
Stefane Caseiro était responsable de la conception des composants chez MPS.
"Pour atteindre la précision requise, le système ne devait avoir aucun jeu", explique-t-il. Les développeurs y sont parvenus, entre autres, en remplaçant l'accouplement classique entre les arbres d'engrenage et les axes mécaniques du robot par des connexions par serrage, et en installant un ressort de compression dans le réducteur pour éliminer le jeu. "Le simple fait de trouver des ressorts appropriés nous a pris des mois", confie M. Caseiro.
L'équipe du professeur Kneib a consacré moins de temps à la recherche d'un partenaire approprié pour les travaux de développement technique. "Il existe moins d'une poignée de fabricants sur Terre capables de construire des micromoteurs avec la qualité et la durée de vie requises", explique l'astrophysicien. "Naturellement, FAULHABER figurait sur notre liste restreinte d'entreprises pour une demande d'offre. Nous avions déjà collaboré avec succès avec MPS dans un projet précédent.
Et bien sûr, le fait d'avoir ces spécialistes à proximité est également un avantage. Vous pouvez vous rendre chez MPS à Bienne depuis l'université de Lausanne en une heure et demie de voiture. Outre la qualité exceptionnelle et les bonnes expériences mutuelles, le fait que FAULHABER et sa filiale MPS puissent tout fournir à partir d'une seule source a également été un argument décisif."
