Solution de régulation thermique pour une antenne satellite réseau à commande de phase active
Le secteur des télécommunications par satellite connaît une croissance importante, portée par des initiatives et des innovations telles que le réseau 5G et la technologie de l’Internet des objets, qui exigent un débit accru de transmission des données. «Les antennes réseau à commande de phase active constituent l’unique solution pratique à long terme permettant d’accroître les capacités, mais les systèmes de régulation thermique actuels ne peuvent pas faire face à la chaleur accrue générée», explique Nuria Roldan, coordinatrice du projet IMPACTA, financé par l’UE. IMPACTA a développé une solution de régulation thermique fondée sur des boucles à pompage mécanique (MPL pour mechanically pumped loops), qui pourrait répondre aux besoins des futures missions spatiales. Ces systèmes ont beau être connus depuis un certain temps, leur complexité s’est avérée un facteur rédhibitoire. IMPACTA a fabriqué et testé un démonstrateur MPL et a vérifié qu’il était bien capable d’évacuer près de 10 kW de chaleur, à une température stable de 2 °C. «Le système a fonctionné comme prévu, inspirant confiance aussi bien dans sa conception que dans ses prévisions de performances en orbite pour les missions futures», ajoute Nuria Roldan.
Régulation précise de la température
Nuria Roldan estime qu’environ la moitié des satellites de télécommunications géostationnaires actuels seront amenés à connaître des mises à niveau qui augmenteront considérablement leurs besoins en énergie. En dirigeant électroniquement un faisceau d’ondes radio dans différentes directions sans déplacer les antennes, une antenne réseau à commande de phase active contrôlée par ordinateur est capable de transmettre des données dont le volume peut atteindre plusieurs téraoctets par seconde et ce, sur des zones étendues. Ces systèmes intègrent toutefois de nombreuses sources de chaleur et se caractérisent par des flux thermiques locaux et des taux de dissipation généraux élevés. «Les solutions de refroidissement actuelles, comme les caloducs, sont incapables de gérer ces conditions de chaleur. Or, un MPL biphasé comporte une boucle fermée, où la chaleur de l’antenne active est absorbée par un réfrigérant qui se transforme partiellement en vapeur, puis s’écoule vers le radiateur/condenseur où la chaleur est rayonnée dans l’espace, tandis que la vapeur retrouve une forme liquide», explique Nuria Roldan. En plus d’assurer un refroidissement efficace, ce processus crée des conditions quasi isothermes où la modification d’autres aspects, comme la pression, n’entraîne pas de fluctuation de température.
Un gage de sérieux
La source de chaleur (l’antenne active, qui est active en ce sens qu’elle nécessite de l’énergie) du démonstrateur du projet était représentée par de multiples évaporateurs et un échangeur de chaleur remplaçait le puits de chaleur (un radiateur). Des tests fonctionnels et environnementaux ont été réalisés dans une chambre à vide thermique. «IMPACTA est parvenu à refroidir une charge thermique de 9,8 kW répartie sur 10 branches parallèles, possédant 10 sources de chaleur chacune. Dans l’état de fonctionnement stationnaire testé, l’uniformité de la température sur les sources de chaleur est meilleure que 2 °C, quelle que soit la situation», explique Nuria Roldan. Dans un réseau d’antennes en service, la chaleur peut être distribuée de manière inégale sur les différentes branches. Les tests d’IMPACTA ont montré que même dans le scénario extrême où la moitié des branches étaient éteintes et que l’autre moitié fonctionnait à pleine puissance, les températures restaient stables. «Le système peut fonctionner dans trois orientations différentes, en affichant des résultats similaires, ce qui indique qu’il n’est pas sensible à la gravité», ajoute Nuria Roldan. L’équipe a exploité avec succès ces résultats afin de vérifier les paramètres de sa conception modélisée par ordinateur pour un système IMPACTA complet.
Technologie générique pour les satellites de télécommunications de prochaine génération
Les travaux d’IMPACTA contribuent à façonner l’avenir des technologies satellitaires, qui constitue l’ossature de notre infrastructure de télécommunications, tout en fournissant des services directs tels que la télédiffusion, les communications mobiles et l’accès à Internet. Depuis IMPACTA, l’équipe a achevé l’élaboration d’un modèle démontrant les fonctions essentielles de sa solution, dans un environnement opérationnel. «La prochaine étape consiste à faire la démonstration de la solution en vol. Nous avons également besoin d’une conception plus légère dotée de contrôles de propreté et de sécurité accrus, afin de répondre aux normes de l’espace. Nous allons donc nous atteler à cette tâche», fait remarquer Nuria Roldan. Par ailleurs, l’équipe envisage de mener des activités dérivées, comme l’utilisation de son système de régulation thermique pour les centrales solaires orbitales ou les centres de données.
Mots‑clés
IMPACTA, satellite, antenne, thermique, espace, télécommunications, données, ondes radio, refroidissement, internet
