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Quel est le point commun entre l'agriculture sur la lune, l'impression 3D sur Mars et les logiciels de réparation avec IA ? On les retrouve tous parmi les thèmes des 56 activités de recherche et développement financées par l'élément Découverte de l'ESA entre juillet et décembre 2022.

L'ESA a mis en place la plate-forme d'innovation en espace ouvert (OSIP) via l'élément Discovery pour découvrir et investir dans de nouvelles idées non conventionnelles qui pourraient grandement bénéficier et faire progresser l'industrie spatiale et le monde universitaire européens.

Ici, les esprits derrière cinq des projets financés entre juillet et décembre 2022 nous parlent de leurs motivations et de leurs objectifs, ainsi que de la manière dont le financement de l'ESA Discovery les aide à faire passer leur activité au niveau supérieur.

Les rayons X et les rayons gamma sont les signatures de l'Univers de haute énergie. Parce qu'ils sont absorbés par l'atmosphère terrestre, les télescopes spatiaux sont le seul moyen de les détecter. Actuellement, l'astronomie X et gamma à l'ESA est couverte par les missions XMM-Newton et Integral. En raison d'un lancement dans les années 2030, Athena représente la prochaine génération de missions d'observation de l'Univers chaud et énergique.

Mais un grand défi avec ces missions est d'imager l'Univers à ces longueurs d'onde avec une résolution spatiale suffisamment élevée. Pour relever ce défi, ESA Discovery finance l'Institut italien de technologie (IIT) pour déterminer si nous pouvons fabriquer un détecteur léger, robuste et à haute sensibilité pour les photons de haute énergie à déployer dans l'espace.

Lorenzo Maserati de l'IIT explique : « Ce type de recherche n'a jamais été tenté auparavant. Notre proposition est d'utiliser des semi-conducteurs organiques-inorganiques innovants appelés pérovskites aux halogénures métalliques pour fabriquer des détecteurs de rayons X ou gamma compacts et légers pouvant être mis en orbite. Les pérovskites hybrides sont des semi-conducteurs polyvalents équipés de métaux lourds qui peuvent efficacement arrêter les rayons à haute énergie et extraire leurs électrons photo-générés dans un petit volume. Notre idée est d'insérer ce matériau dans une structure métallique 3D micro-fabriquée.

"Le financement de l'ESA Discovery permet le déploiement de cette idée dans un dispositif de preuve de concept. Notre recherche sur les matériaux fera un pas en avant en prouvant une application spatiale importante et ouvrira de nouveaux horizons pour notre groupe vers la microfabrication de dispositifs complexes à base de pérovskite. La nouvelle technologie pourrait également être utilisée dans des applications terrestres ; l'industrie de la santé, par exemple, pourrait être intéressée par des détecteurs minces à grande surface pour le diagnostic médical."

L'ingénieur de l'ESA, Matthew Soman, explique : "La technologie de détection étudiée dans le cadre de cette activité a le potentiel de remplacer l'état actuel de la technique de détection des photons X et gamma à haute énergie. Nous sommes impatients de voir comment les structures à base de pérovskite qui seront fabriquées et testées se comparent à l'état actuel de la technique et d'en savoir plus sur leur aptitude à être utilisées dans de futures missions spatiales."

Ce n'est là qu'une des nombreuses activités que l'ESA Discovery a financé l'IIT pour entreprendre au cours des quatre dernières années. Lorenzo souligne l'impact de ce financement : « ESA Discovery a été crucial pour la mise en place de l'activité spatiale à l'IIT. L'OSIP a été la méthode originale pour faire comprendre aux collègues de l'IIT que l'espace est quelque chose où ils peuvent apporter une forte contribution. Grâce à l'OSIP et à d'autres actions nationales, l'IIT a créé en décembre 2021 le SPAce CEnter for Innovative & Interdisciplinary Technology (SPACEiit).

Tôt ou tard, les colons sur la Lune devront devenir agriculteurs. La société norvégienne Solsys Mining étudie le traitement du sol lunaire pour créer un engrais adapté à la croissance des plantes.

La bonne nouvelle est que l'analyse d'échantillons de sol lunaire renvoyés sur Terre dans le passé par des Moonwalkers et des robots montre suffisamment de minéraux essentiels à la croissance des plantes, à l'exception des composés azotés. Les mauvaises nouvelles? Le sol lunaire se compacte en présence d'eau, créant des problèmes pour la germination des plantes et la croissance des racines.

L'agriculture hydroponique offre donc une voie possible ; ce type d'agriculture consiste à nourrir directement les racines des plantes avec de l'eau riche en nutriments, sans avoir besoin de terre.

Ethel Tolention, responsable de la recherche chez Solsys Mining, explique : « Nous recherchons comment rendre le contenu de la poussière lunaire, ou régolithe, disponible pour l'utiliser comme engrais pour les plantes. Le processus d'extraction et de concentration des minéraux ou des éléments des ressources spatiales est appelé « enrichissement », et notre objectif à long terme est de l'appliquer également à plusieurs autres domaines, tels que l'impression 3D et le recyclage.

La valorisation permettra de nouveaux procédés industriels sur la lune, en plus de rendre plus efficaces ceux qui existent déjà.

"Ce travail est essentiel pour la future exploration lunaire à long terme", commente Malgorzata Holynska, ingénieur matériaux et procédés de l'ESA, qui supervise le projet. "Parvenir à une présence durable sur la Lune impliquera d'utiliser les ressources locales et d'accéder aux nutriments présents dans le régolithe lunaire avec le potentiel d'aider à cultiver des plantes. L'étude actuelle représente une preuve de principe utilisant des simulants de régolithe lunaire disponibles, ouvrant la voie à des recherches plus détaillées à l'avenir."

Øystein Risan Borgersen, CTO de Solsys Mining ajoute : « Les opportunités de financement dans ce domaine ont jusqu'à présent été rares, et le soutien que nous recevons de l'ESA est absolument essentiel pour notre entreprise. Il nous a également aidés à forger de nouveaux partenariats avec l'industrie et le milieu universitaire.

« Notre objectif principal est que cette recherche débouche sur des applications à la fois pour l'espace et sur Terre. L'enrichissement sur Terre consomme environ 3 à 4 % du budget énergétique mondial, et nous pensons que la technologie spatiale peut aider à réduire cela, ainsi que les effets environnementaux négatifs généralement associés à l'industrie.

Pour des séjours de longue durée sur Mars, les astronautes auraient besoin d'installations pour vivre et travailler, se déplacer, communiquer avec la Terre et produire de l'oxygène et de l'eau indispensables à leur survie. Retirer toute cette infrastructure de la Terre coûterait très cher. Au lieu de cela, l'ESA réfléchit à la manière d'en imprimer une partie en 3D sur site en utilisant le sol martien comme matériau d'entrée.

Des recherches antérieures financées par l'ESA ont montré que cela serait possible. La prochaine étape est entreprise par le groupe de recherche autrichien FOTEC, dans une activité de recherche qui vise à mieux comprendre l'effet de l'environnement martien sur les matériaux et les processus de construction. L'équipe de recherche étudie également le recyclage des déchets en nouveaux matériaux ; ces déchets pourraient provenir d'équipements apportés de la Terre et qui ne sont plus utilisés, par exemple des emballages alimentaires en plastique.

Advenit Makaya, ingénieur en fabrication avancée à l'ESA, explique : "Cette activité fait partie des efforts continus de l'ESA pour identifier et développer des technologies permettant d'utiliser les ressources sur site pour aider à construire et entretenir l'infrastructure requise et assurer la durabilité des futures missions d'exploration à long terme."

En particulier, FOTEC s'appuie sur une précédente activité de l'ESA axée sur la construction sur Mars en utilisant le sol martien. En utilisant les connaissances acquises au fil des années depuis la fin de l'activité, ils introduiront de nouvelles techniques de traitement pour améliorer les performances du matériau de construction.

Markus Hatzenbichler, responsable des technologies d'ingénierie chez FOTEC, ajoute : « L'enquête sur le recyclage des déchets, y compris l'utilisation des déchets comme liant, est une partie importante de cette activité. Alors que l'objectif principal est de soutenir la préparation des futures missions vers Mars, à plus court terme, les résultats peuvent soutenir notre compréhension de l'isolation et de l'intégrité structurelle dans le domaine du génie civil.

Suite à un appel ESA Discovery à des idées innovantes pour utiliser les brevets prometteurs de l'ESA à des fins commerciales, le groupe EOSOL a reçu un financement pour inclure un nouvel "extracteur de mode" compact dans deux de ses gammes de produits d'antennes de station au sol. Nous utilisons des antennes pour communiquer avec des satellites éloignés à l'aide d'ondes électromagnétiques. Pour optimiser la liaison de communication, l'antenne doit être pointée directement vers le satellite. Un extracteur de mode améliore la précision de ce pointage.

L'ingénieur antenne de l'ESA, Nelson Fonseca, décrit cette dernière recherche : "Cette activité soutient la commercialisation d'une invention de l'ESA qui a été développée il y a environ 10 ans en prévision des besoins des futurs systèmes satellitaires à très haut débit. Initialement développé pour le segment spatial, le concept est ici adapté pour les stations au sol."

"Le groupe EOSOL a identifié un certain nombre de développements de produits, avec des exigences respectives, qui pourraient bénéficier d'un extracteur en mode compact. Dans le cadre de l'activité, ils évalueront également les techniques de fabrication additive (impression 3D), car elles pourraient être bénéfiques pour réduire la masse et le coût de l'appareil."

Gonzalo Crespo Lopez du groupe EOSOL ajoute : "Nous essayons de réduire la taille de l'extracteur de mode d'un ordre de grandeur et d'appliquer la fabrication additive à l'appareil là où il n'a jamais été utilisé auparavant. Cela permettra l'intégration de l'appareil de manière plus compacte et plus simple dans la nouvelle génération d'antennes au sol (où tout devient plus petit) et également de réduire les délais de fabrication et les coûts de production."

"OSIP est un outil idéal créé par l'ESA pour permettre aux entreprises et aux organisations de rechercher de nouveaux concepts et de les mettre sur le marché. Pour nous, la recherche est très importante, mais il est encore plus important que cette recherche ait une application et que nous parvenions à la mener rapidement à de vraies solutions acceptées et demandées par le marché."

Pour qu'un vaisseau spatial remplisse efficacement son rôle, non seulement toutes les pièces physiques, les écrous et les boulons doivent bien fonctionner, mais aussi le logiciel embarqué. C'est pourquoi les logiciels destinés à être envoyés dans l'espace sont contrôlés en permanence dès le début de leur développement.

Garantir la qualité des logiciels à l'intérieur d'un vaisseau spatial demande beaucoup de temps et d'efforts. Pour rendre le processus plus efficace, ESA Discovery aide une équipe de Thales Alenia Space à réparer un logiciel utilisant l'intelligence artificielle en suivant l'une des premières techniques de vérification, un processus appelé "analyse statique".

Arnaud Bourdoux, ingénieur de l'ESA supervisant le projet, explique : "La vérification de l'analyse statique fait partie du processus de développement du logiciel de vol au cours duquel divers outils sont utilisés pour vérifier le code embarqué par rapport aux erreurs de programmation courantes, aux règles de qualité et à des dizaines d'autres critères. De tels outils font désormais partie intégrante des environnements de développement logiciel, mais l'un de leurs inconvénients est que leur sortie peut être fastidieuse à traiter."

"L'utilisation de l'IA dans ce domaine peut aider à accélérer le traitement de la sortie de ces outils ; l'IA devrait être capable de suggérer des corrections pour les problèmes identifiés, ainsi que de reconnaître les faux positifs qui ne nécessitent aucune modification."

Miguel Fernández, responsable des logiciels de vol chez Thales Alenia Space, conclut : "L'utilisation de l'intelligence artificielle nous aidera à développer des logiciels pour l'espace avec une qualité accrue et un temps de développement réduit. L'ESA m'a ouvert l'esprit en réfléchissant à la manière de développer des logiciels pour l'espace plus efficacement. Maintenant, avec le soutien de l'ESA, cela conduira à de nouvelles opportunités pour le développement de logiciels embarqués."

La plate-forme d'innovation en espace ouvert est gérée par l'élément Découverte des activités de base de l'ESA. Découvrez-en plus, y compris comment vous pouvez soumettre vos propres idées, via notre page Web dédiée.

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