Les cas d’utilisation de matériaux intelligents dans l’exploration spatiale continuent de surgir partout. Ils sont utilisés dans tous les domaines, du déploiement d'antennes sur les satellites à la déformation et à la reformation des rover.
L'une des dernières idées est de les utiliser pour transformer les voiles solaires qui pourraient principalement servir de système de propulsion pour une mission en bouclier thermique lorsque cette mission atteint sa destination finale. Un nouvel article de Joseph Ivarson et Davide Guzzetti, tous deux du département de génie aérospatial de l'Université d'Auburn, publié dans Acta Astronautiquedécrit comment l'idée pourrait fonctionner et énumère quelques applications potentielles pour l'exploration de diverses parties du système solaire.
Le concept, qu'ils appellent Shape Shifting Sailer (3S), est simple : disposer d'une fine feuille de matériau qui agit comme une voile solaire pendant la majeure partie du voyage d'un engin jusqu'à sa destination. Une fois qu'elle atteint cette destination, changez l'orientation de la feuille afin qu'elle puisse agir comme un bouclier thermique et un dispositif de traînée pour la sonde entrant dans l'atmosphère du monde cible ou freinant aérodynamiquement sur son orbite.
Cet interrupteur pourrait être aussi simple qu'un ensemble de charnières en alliage à mémoire de forme (SMA) qui plient la voile solaire généralement plate en forme de cône ou de bouclier pour aider à la traînée, ce qui ralentirait la sonde, et également pour aider à dévier une partie de la chaleur elle-même, agissant essentiellement comme un bouclier thermique, certes partiellement efficace.
Cependant, avant d’essayer de construire un tel système, les ingénieurs ont fait ce que tous les bons ingénieurs feraient : ils ont d’abord modélisé le système. Dans ce cas, ils ont divisé leur travail de modélisation en deux phases différentes : une étude « d'espace de conception » et une étude de faisabilité.
Dans le langage de l'ingénierie, un « espace de conception » n'a rien à voir avec l'espace extra-atmosphérique : c'est un terme pour tenter de capturer tous les différents facteurs qui pourraient affecter une métrique donnée, comme le poids ou la température maximale qu'une sonde entrant dans l'atmosphère de Mars connaîtrait. En faisant varier ces facteurs dans la simulation, les ingénieurs peuvent se faire une idée des décisions de conception les plus importantes qu'ils doivent prendre, notamment en ce qui concerne les compromis tels que la réduction du poids d'une voile ou l'augmentation de son effet de protection thermique.
Dans leur article, les auteurs ont examiné des études de cas portant sur cinq mondes cibles potentiels : la Terre, Mars, Titan, Uranus et Neptune. Ils se sont ensuite tournés vers un algorithme semi-autonome appelé algorithme génétique qui optimisait le compromis entre la température maximale de la voile et sa pression maximale. Ils ont constaté que ces deux mesures étaient opposées, car les formes physiques qui minimisent l’une de ces deux caractéristiques ont tendance à maximiser l’autre.
Pour minimiser la pression, il est préférable d'avoir la forme d'une feuille – une grande surface mais un poids très léger, tandis que pour minimiser la température, il est préférable d'avoir la forme d'un boulet de canon – très petit, épais et dense, ce qui implique généralement une inertie thermique élevée – c'est-à-dire la quantité de chaleur globale qu'un matériau peut supporter.
Dans la phase suivante de leur étude, ils ont ouvert des trajectoires de vol potentielles dans l’atmosphère et en orbite autour des différents mondes étudiés. Autour de la Terre, ils ont découvert que le matériau pouvait au moins quelque peu contribuer à réduire la charge thermique globale, en diminuant le taux de chauffage maximal de 20 à 25 %, mais seulement si la voile était larguée lors de la rentrée. Mars était le meilleur scénario pour l'utilisation de l'idée 3S, car elle a montré – encore une fois, lors d'un scénario de largage – que l'échauffement de la sonde entrante pouvait être réduit jusqu'à 40 %.
Malheureusement, les résultats n’ont pas été aussi bons pour Titan, Uranus et Neptune. Sur les géantes gazeuses, l’utilisation du système s’est avérée irréalisable, car les vitesses d’entrée requises pour l’aérofreinage dans leur atmosphère étaient trop élevées et brûleraient tout matériau réalisable qui pourrait être potentiellement fabriqué dans un avenir proche. Sur Titan, le système 3S serait réalisable, mais nécessiterait à peu près autant de masse dans la voile que dans la charge utile pour être efficace. Étant donné que le transport de masse vers Titan coûte cher en soi, il semble peu probable que l’idée décolle – ou atterrisse, d’ailleurs.
Mais même si l’idée ne s’applique qu’à l’exploration de Mars, ce sera le point central de nombreuses missions futures alors que la NASA poursuit son chemin de la Lune à Mars. Compte tenu des résultats prometteurs des simulations présentées dans l'article, il pourrait être intéressant de dépenser de l'argent pour développer un prototype du système 3S pour voir s'il y a des problèmes dans le plan. Mais, étant donné l’état actuel du financement de l’exploration spatiale, cela devra peut-être encore attendre un certain temps.
