Grâce à l’ingéniosité humaine et à l’apesanteur, nous bénéficions de nombreux avantages de la science spatiale. Par exemple, les smartphones avec systèmes de navigation et caméras intégrés.
Ces technologies, qui semblent s’intégrer du jour au lendemain dans notre quotidien, sont le résultat de nombreuses années de découvertes et de développement de matériaux capables de résister aux environnements hostiles de l’espace. Ils sont le résultat de décennies de recherche fondamentale visant à comprendre le comportement des atomes dans différents matériaux et dans diverses conditions.
Une nouvelle étape pour les expériences futures
Sur cette base, une équipe mondiale de chercheurs a établi une nouvelle référence pour les expériences futures en fabriquant des matériaux dans l’espace plutôt que pour l’espace. L’équipe comprenait des membres des laboratoires nationaux d’Oak Ridge et d’Argonne du ministère de l’Énergie, de Materials Development, Inc., de la NASA, de l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale (JAXA), d’ISIS Neutron and Muon Source, de l’Université Alfred et de l’Université du Nouveau-Mexique.
Ensemble, ils ont découvert que de nombreux types de verre, comme ceux qui pourraient être développés pour les dispositifs optiques de nouvelle génération, ont une structure atomique similaire et peuvent être fabriqués avec succès dans l’espace.
Fabrication de verre en apesanteur
Les opérateurs de la JAXA sur Terre ont fabriqué et fondu du verre à bord de la Station spatiale internationale (ISS) via une télécommande à l’aide d’un lévitateur. Ceux-ci sont utilisés pour suspendre des échantillons de matériaux pendant les expériences afin d’éviter les interférences dues au contact avec d’autres matériaux.
Une fois la mission de l’ISS terminée et le verre spatial renvoyé sur Terre, les chercheurs ont utilisé une combinaison de techniques comprenant des neutrons, des rayons X et des microscopes puissants pour mesurer et comparer le verre fabriqué et fondu dans l’espace par rapport à celui fabriqué sur Terre.
Techniques sans conteneur
“ Nous avons découvert qu’avec des techniques sans récipient, comme la machine à lévitation, nous pouvons créer des verres non conventionnels en microgravité. a déclaré Takehiko Ishikawa de JAXA, pionnier du lévitateur électrostatique utilisé pour fabriquer des perles de verre à bord de l’ISS.
Les chercheurs ont utilisé NOMAD au SNS pour étudier les échantillons de verre avec des neutrons et des lignes de lumière de la Source de photons avancée d’Argonne pour les étudier avec des rayons X.
“ Il n’y a qu’un nombre limité de matériaux que vous pouvez envoyer dans l’espace et rapporter, et c’est en fait l’une des raisons pour lesquelles NOMAD était si bien adapté à cette expérience. » a ajouté Stephen Wilke de Materials Development Inc. et scientifique invité à Argonne.
” Nous n’obtenions que des billes de verre d’environ un huitième de pouce de diamètre, très difficiles à mesurer en termes de structure atomique. Parce que NOMAD excelle dans la mesure d’échantillons extrêmement petits, cela nous a permis de comparer facilement les billes fabriquées en laboratoire avec celles fabriquées sur la station spatiale. »
Les mystères du verre
Le verre, en réalité, n’est pas si simple. Contrairement aux solides cristallins comme le sel, les atomes de verre n’ont pas une structure uniforme. Sa disposition atomique inhabituelle, bien que remarquablement stable, est peut-être mieux décrite comme un réseau aléatoire de molécules partageant des atomes coordonnés.
Ni entièrement solide ni entièrement liquide, le verre se présente également sous différentes formes, notamment polymère, oxyde et métallique, comme dans les verres de lunettes, les fils de fibres optiques et le matériel pour les missions dans l’espace lointain.
En 2022, Neuefeind, Wilke et l’expert en verre Rick Weber de Materials Development Inc. ont expérimenté deux oxydes de néodyme et de titane et ont découvert un potentiel pour des applications optiques. La combinaison de ces deux éléments présente des atouts inhabituels non observés dans des recherches similaires. Ces découvertes les ont amenés à poursuivre leurs études actuelles avec la NASA.
“ [L’expérience de 2022] nous a appris quelque chose de vraiment remarquable “, a déclaré Weber. “ L’un des verres a un réseau complètement différent d’un réseau normal à quatre coordonnées typique de la silice. Ces lunettes ont un tableau à six coordonnées. Ils sont vraiment uniques. C’est passionnant du point de vue de la science du verre. Mais d’un point de vue pratique, cela signifie également davantage de possibilités pour de nouvelles applications avec des matériaux optiques et de nouveaux types de dispositifs. »
Importance des neutrons et des rayons X
Les scientifiques utilisent souvent des neutrons et des rayons X en parallèle pour collecter des données qu’aucune autre technique ne peut produire, aidant ainsi à comprendre la disposition des atomes de différents éléments au sein d’un échantillon. Les neutrons ont aidé l’équipe à voir des éléments plus légers dans le verre spatial, comme l’oxygène, tandis que les rayons X leur ont permis de voir des éléments plus lourds, comme le néodyme et le titane.
Si des différences significatives existaient entre le verre spatial et le verre terrestre, elles seraient probablement apparues dans le sous-réseau d’oxyde, ou dans la disposition des atomes d’oxygène, dans la répartition des atomes lourds, ou dans les deux.
Les neutrons deviendront des outils de plus en plus importants pour percer les mystères de la matière à mesure que les scientifiques explorent de nouvelles frontières, notamment l’espace.
“ Nous devons comprendre non seulement les effets de l’espace sur la matière, mais aussi ses effets sur la formation des choses. », a conclu Neuefeind. « En raison de leurs propriétés uniques, les neutrons font partie de la solution à ces énigmes. »
Légende de l’illustration : Une équipe de scientifiques de neuf institutions gouvernementales, universitaires et industrielles a découvert que de nombreux types de verre ont une structure atomique similaire et peuvent être fabriqués avec succès dans l’espace. L’image montre une perle de verre spatiale. Crédit : Phoenix Pleasant/ORNL, Département américain de l’énergie
