Des matériaux spatiaux à haute efficacité thermique pour les satellites de nouvelle génération
L’espace représente la prochaine frontière pour de nombreux secteurs d’activité. À l’avenir, les technologies spatiales telles que les satellites seront de plus en plus utilisées et les composants technologiques devront être constamment améliorés. Il s’agit notamment des technologies à large bande (WBG). Ces semi-conducteurs sont largement utilisés dans les modules électriques des satellites, notamment pour la conversion de puissance et l’amplification des signaux à la sortie de la charge utile du satellite. Augmenter la puissance des composants électroniques tout en réduisant leur taille améliorera les performances des satellites. Cependant, disposer d’un plus grand nombre de fonctions dans un espace plus restreint augmente la densité de puissance et la chaleur qui doit être évacuée. Dans le cadre du projet HEATPACK financé par l’UE, des chercheurs ont mis au point de nouvelles solutions permettant de maintenir ces composants à basse température dans l’espace. «Il est important de disposer de matériaux à faible résistance thermique pour plusieurs raisons», explique David Névo, ingénieur en conditionnement de micro-ondes chez Thales Alenia Space et coordinateur du projet HEATPACK. «Extraire efficacement la chaleur des composants et les maintenir aussi froids que possible aura un impact considérable sur leur fiabilité et leur durée de vie. Ce défi est crucial, étant donné que certaines missions spatiales doivent durer jusqu’à 15 ans sans aucune possibilité de réparation.»
Développement de matériaux thermiques innovants
L’équipe HEATPACK a créé une gamme de matériaux et de solutions à haute efficacité thermique, ciblant la section de puissance de sortie des satellites pour les missions de communication et de navigation, et tous les modules de puissance liés à l’équipement de la charge utile du satellite. Les nouvelles solutions concernent notamment des matériaux composites à base de particules de diamant, qui présentent une conductivité thermique extrêmement élevée, environ cinq fois supérieure à celle du cuivre pur. La mise en forme de ces matériaux est un défi, tout comme l’obtention de la finition de surface requise. Les chercheurs de HEATPACK ont donc exploré de nouvelles formulations et techniques de coupe pour fabriquer des grades de haute précision à base de diamant. Ils ont également mis au point deux matériaux d’interface thermique (TIM pour «thermal interface materials»): l’un basé sur une pâte d’argent frittée, l’autre sur un film adhésif conducteur électrique et thermique, utilisés respectivement lors de l’assemblage de composants et de boîtiers. HEATPACK a également conçu de nouvelles solutions de refroidissement actif, une alternative plus efficace et plus rentable au refroidissement passif. Ce système à deux phases pompe le liquide dans un mouvement oscillatoire autour de tuyaux en forme de serpentin qui traversent plusieurs fois les régions chaudes et froides pour éliminer la chaleur latente, ce qui permet d’atteindre des performances de refroidissement très efficaces. Sur la base de ces éléments technologiques, trois ensembles différents ont été conçus et produits, puis évalués en fonction des conditions de l’espace.
Répondre aux attentes du projet
«D’une manière générale, nous avons réalisé des progrès considérables dans le développement de ces éléments technologiques essentiels dédiés aux questions de gestion thermique», déclare David Névo. Certaines des technologies HEATPACK, comme les matériaux composites à base de diamant, ont atteint le niveau de maturité technologique 6. Des tests sont toujours en cours sur d’autres innovations, dans l’espoir d’atteindre le même niveau. «L’un des principaux enregistrés est que la performance thermique des démonstrateurs – qui intègrent plusieurs technologies développées par les partenaires du projet – répond aux attentes fixées au début du projet», fait remarquer David Névo.
Des technologies prêtes pour la commercialisation
Certaines technologies sont prêtes à être mises sur le marché, notamment les composites métal-diamant, tout comme une technique de mesure thermique innovante également élaborée dans le cadre du projet. «Les applications spatiales constituaient la cible principale, mais ces technologies peuvent également être proposées à d’autres marchés, en fait à toute application impliquant des problèmes de gestion thermique», explique David Névo.
Mots‑clés
HEATPACK, espace, composants, électronique, thermique, chaleur, technologies, plus froid, durée de vie