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Les miroirs qui équipent les télescopes doivent pouvoir se déformer notamment pour s’adapter aux altérations que produisent la gravité ou d’autres facteurs environnementaux comme le vent. Ce principe d’optique adaptative n’est pas nouveau mais il est en passe d’être révolutionné grâce aux travaux d’un consortium international de scientifiques qui a développé un miroir ultraléger, auto-correcteur et déformable en temps réel.

Dans le domaine de l’imagerie spatiale, des projets ambitieux se dessinent pour la prochaine décennie. Des télescopes de nouvelle génération sont en passe d'être installés en orbite lointaine ou sur la surface lunaire, afin d'observer des exoplanètes (situées au-delà de notre système solaire) ou de capturer des images de la Terre d’une résolution sans précédent. Pour voir le jour, ces équipements devront intégrer des miroirs plus performants que ceux d'aujourd'hui. Éléments clés des télescopes, les miroirs doivent conserver une forme très précise, tout en résistant aux déformations dues à la gravité ou aux conditions environnementales changeantes.

Or, les miroirs actuels présentent des limites techniques et structurelles trop importantes pour être intégrés aux télescopes de grande envergure qui sont envisagés. En effet, le polissage abrasif qui sert aujourd’hui à façonner ces pièces est un procédé long, coûteux, encombrant et qui s’avère de moins en moins efficace à mesure que la taille du miroir augmente. Dans ce contexte, un nouveau paradigme scientifique éclot pour créer des miroirs adaptés aux futures expériences spatiales : télescopes en orbite lointaine ou sur la Lune, fermes solaires spatiales, communications optiques sans fil dans l’espace libre, etc.
 
Bouleverser le champ de l’imagerie spatiale
 
Gil Moreto est astrophysicien au Centre de recherche en astrophysique de Lyon1. Il consacre ses longues heures de recherche à tout ce qui concerne l’instrumentation astronomique. Pour présenter ses travaux, il apprécie évoquer l’auteur de science-fiction Arthur C. Clarke, pour qui « toute technologie suffisamment avancée est indiscernable de la magie ». Le scientifique est à la tête d’un groupe pluridisciplinaire de chercheurs qui, en associant l’astrophysique et la science des matériaux, est parvenu à créer un miroir 2.0 en passe de bouleverser le champ de l’imagerie spatiale.

Ces recherches suscitent l’intérêt de toute la communauté scientifique puisqu’elles permettent d’envisager, selon le chercheur, un « véritable changement de paradigme. Nous proposons une approche novatrice, technologiquement performante et peu chère » se réjouit-il. Les travaux portés par le consortium international qu’il encadre ambitionnent de doter les télescopes du futurs de miroirs ultra légers, autocorrecteurs, low-costs, et déformables à la demande grâce à de petits dispositifs imprimés en 3D directement sur la surface optique. Pour ce faire, ils ont développé des actionneurs contrôlés électroniquement, « des polymères électroactifs (EAP), capables de façonner la correction du verre et de compenser « en direct » les déformations environnementales comme celle que l’atmosphère provoque sur les télescopes. » Un miroir dont certaines propriétés sont directement inspirées du fonctionnement de l’œil humain.
 
Un miroir bio-inspiré
 
Le caractère fondamentalement innovant de ce “Live-Mirror” tient en deux propriétés : sa bio-inspiration et la micro-impression 3D des actionneurs.

D’une part, « il copie une partie du fonctionnement de l'œil humain. Plus précisément la façon dont le corps ciliaire fonctionne et dont il est collé avec l'iris ». Le corps ciliaire est indispensable à l’œil pour obtenir une mise au point correcte des images qu’il reçoit. D’autre part, les chercheurs se sont inspirés de cette fonction focale et de la liaison entre l'iris et le corps ciliaire pour concevoir les actionneurs EAP imprimés en 3D « appliqués directement sur la surface de la pièce de verre ».

Le système optoélectronique dynamique (en bas), consiste en une fine feuille de verre optique, polie au feu et activement contrôlée ("live"), par des actionneurs/capteurs de force, inspirés du fonctionnement de l'œil humain (un système bio-optique - en haut) et particulièrement des muscles ciliaires et du cristallin et de la cornée.

Ne vous fiez pas à la modeste taille de ces actionneurs EAP. Ils sont à même de déformer les surfaces optiques avec un niveau de précision extrêmement fin, de l’ordre de quelques micromètres. Les chercheurs du consortium Live-Mirror sont arrivés « à une preuve de concept efficace et viable de l'actionneur ». Associé à un groupe de scientifiques élargi (le PEPR Origins/FlexSiMirror), Gil Moretto ambitionne désormais d’aller plus loin et d’adapter ces dispositifs disruptifs aux immenses miroirs utilisés en astronomie, aux systèmes d’optique adaptative en milieu extrême (très haute fréquence), ainsi que dans les futures générations de télescopes.
 
Un coût technologique considérablement réduit
 
Le James Webb Telescope, en orbite depuis fin 2021 à la recherche des mystères de la formation de l’univers, « a coûté plus de 10 milliards de dollars ». Le plus gros télescope terrestre, l’Extremely Large Telescope, en cours de construction, devrait coûter « plus d'1,3 milliards d'euros ». Si l’astrophysicien lyonnais insiste sur cette dimension financière c'est parce que la part que représente l'élaboration des miroirs pour ces deux lunettes géantes est immense ! « Elle excède 1.5 millions d'euros par m² de miroirs créés ! » insiste-t-il.

La perspective de miroirs low-cost et auto-correcteur grâce aux EAP est donc particulièrement intéressante pour toute l’astronomie mondiale. Les gains de temps et de matériaux promis par ces miroirs du futur réduirait considérablement le coût technologique global d’un télescope, sans aucune perte d’efficacité.

Fabrication additive (impression 3D) pour une preuve de concept FlexSiMirror : plusieurs actionneurs de force basés (EAP) imprimés sur un substrat de silicium. Crédit : France 2030 PEPR Origines – Projet FlexSiMirror/Gil Moretto).

« Nous sommes également en train de créer une nouvelle surface optique en silicium, que l’on pourra aussi déformer à la demande grâce à nos EAP imprimés en 3D » ajoute Gil Moretto. Un FlexSiMirror qui a pour vocation d’être utilisé en astronomie, mais qui pourrait également trouver des débouchés dans le secteur des communications optiques en espace libre, ou encore dans celui du photovoltaïque. Pour l’astrophysicien, si des fermes solaires orbitales venaient à voir le jour, « ce type de miroir léger et optimisé serait idéal pour être envoyé dans l'espace ».
 
Équiper les télescopes du futur
 
Les preuves de concept ont été apportées par le consortium de chercheurs, il ne reste qu’à passer à l’échelle supérieure. « Notre prototype faisait 11 cm de diamètre » précise Gil Moretto, qui se fixe pour objectif à court terme de développer un miroir prototype de 50 cm de diamètre. « Nous appliquerons des milliers d'actionneurs à sa surface, poursuit-il, afin de créer le miroir le plus optimal possible pour des applications grandeur nature, tout en maintenant son coût bien en deçà de ceux affichés par les télescopes actuels ».

Il prévoit en outre qu’une seule décennie suffira pour voir les premières applications de ses miroirs à l’échelle industrielle. « À long terme, notre ambition est de concevoir des Live-Mirrors d'un diamètre de 5 mètres et des FlexSi-Mirrors déformables à ultra-haute vitesse, avec une fréquence de l'ordre du kilohertz » préfigure-t-il. Des miroirs actifs et adaptatifs d’une performance suffisante pour équiper les immenses télescopes de détection d'exoplanètes. Vidéo à l’appui, Gil Moretto dévoile les images du démonstrateur sur lequel il travaille en partenariat avec l’Institut d’astrophysique des Îles Canaries : un télescope équipé de 15 miroirs principaux de 5 mètres de diamètre chacun, associés à 15 autres miroirs secondaires déformables (20 cm de diamètre), baptisé Exo Life Finder, ou détecteur de “vie” extraterrestre. Fascinant.

L’histoire ne dit pas si Gil Moretto a pour habitude d’évoquer les autres lois qu’Arthur C. Clarke a proposé dans son essai Hazards of Prophecy. Il ne renierait sans doute pas la seconde de ces lois qui affirme que « la seule façon de découvrir les limites du possible, c'est de s'aventurer un peu au-delà, dans l'impossible. » Force est de constater que les technologies du Live-Mirror et du FlexSi-Mirror n’auraient sans doute jamais vu le jour sans une part d’utopie et d’esprit d’aventure.

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Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-LiveMetaOptics-AAPG2018. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société - Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2018-2019 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 18/19).