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Un miroir en 1 000 morceaux

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Pour réaliser le miroir géant du télescope E-ELT, il?faudra produire près de 1 000 fragments à un rythme industriel. Quatre équipes sont sur les rangs.

Un miroir en 1 000 morceaux
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© Le télescope géant européen E-ELT sera installé dans le désert d’Atacama, au Chili. Mise en service prévue en 2026, si la production de 100 fragments par an est atteinte.

Si vers 2025-2030 on n’en sait pas plus sur la vie extraterrestre, l’origine de l’univers et la nature fondamentale de la matière, ce ne sera pas faute d’avoir essayé. Trois télescopes géants, de respectivement 24, 30 et 39?mètres de diamètre, seront alors braqués vers le ciel dans l’espoir d’en percer quelques mystères. Deux sont américains : le GMT (Giant Magellan telescope) de 24,5?mètres et le TMT (Thirty meters telescope). Le troisième, européen, est le bien nommé European extremely large telescope (E-ELT) : 39?mètres de diamètre ! À titre de comparaison, les plus grands télescopes actuels atteignent 10?mètres de diamètre.

L’European southern observatory (ESO) a?officiellement lancé ce projet de plus d’un milliard d’euros en décembre?2014. Installé à 3 000 mètres d’altitude dans le désert d’Atacama, au Chili, l’E-ELT devrait recevoir sa « première lumière » en 2026. L’échéance est confortable, sauf que son miroir géant de 39?mètres de diamètre oblige les chercheurs à repousser les limites de la technologie. Surtout – c’est inédit dans ce domaine –, il pose des problèmes de production industrielle. En effet, pour le construire, ce sont près de 1 000?segments qu’il va falloir réaliser en quelques années (800 en première monte, le reste pour la rechange). « Jusqu’ici, le temps de fabrication d’un?segment de miroir de grand télescope se comptait en semaines, voire en mois. Pour l’E-ELT, il faudra produire à la cadence d’un?segment tous les un ou deux?jours », précise Marc?Ferrari, le directeur adjoint du Laboratoire d’astrophysique de Marseille (LAM), qui travaille avec Thales sur le projet. Un?défi, car chaque segment résulte du polissage ultraprécis d’une surface de géométrie complexe. Après des années de recherche, le projet entre aujourd’hui dans une phase plus opérationnelle à la suite du feu vert officiel de 2014. Un?appel d’offres devrait être lancé par l’ESO fin 2015 et déboucher sur des commandes l’année suivante, pour un montant total estimé à 150?millions d’euros.

Un seul mot d’ordre, polir vite et bien

Quatre équipes au moins sont en lice. Deux sont françaises et impliquent des spécialistes des grandes optiques : Thales Seso associé au LAM, et Reosc, filiale de Sagem (groupe Safran). Aux États-Unis, Tinsley (L-3 Integrated optical systems) travaille sur d’autres télescopes, comme le TMT. Enfin, le projet mobilise les Britanniques d’Optic, le centre technologique de l’université de Glyndwr (pays de Galles). Leur problème se résume à une exigence : polir vite et bien. Autrement dit, atteindre la cadence de production nécessaire tout en respectant les spécifications de l’ESO, qui exige des surfaces de forme et de rugosité parfaitement contrôlées – y?compris sur les bords des segments. Ce qui suppose d’avoir des moyens de contrôle qui suivent la cadence. Les équipes ont répondu par des stratégies différentes.

Le français Reosc, installé à Saint-Pierre-du-Perray (Essonne), a choisi de capitaliser sur un savoir-faire acquis sur plusieurs grands télescopes. En particulier le Grantecan (Gran telescopio Canarias), le plus grand à ce jour, avec son miroir de 10,4?mètres de diamètre. Reosc lui avait livré 36?segments de 1,80?mètre. Pour le futur télescope, la PME a donc repris son procédé en trois?étapes. L’usinage de la surface du segment pour lui donner sa forme complexe, asphérique. Le polissage de précision robotisé. Enfin, la finition par une?machine à faisceau d’ions, pour obtenir la précision de forme de 15?nanomètres fixée par les spécifications de l’E-ELT. Reosc, lancé très tôt sur le projet, a livré des segments prototypes à l’ESO dès 2011. Mais cette démonstration de faisabilité ne résout pas tout. « Pour l’E-ELT, nous devons multiplier par dix notre cadence de production par rapport au Grantecan », souligne Thierry?Batut, le PDG de Reosc. Mettre en parallèle plusieurs machines est une solution. La maîtrise du procédé de polissage est essentielle, notamment pour augmenter le taux d’usure au passage de l’outil. Enfin l’organisation du travail – par la mise en place du lean management – devient cruciale, puisqu’il s’agit là d’une?production à l’échelle industrielle. La PME s’appuie sur les experts de sa maison mère, Safran, qui fabrique entre autres des moteurs d’avions.

Tenir les cadences lors des contrôles

Les équipes du LAM et de Thales Seso ont opté pour un procédé radicalement différent : plutôt que de polir peu à peu le segment à la bonne géométrie avec un outil de petite taille, ils utilisent un outil de la taille du segment. La technique est connue sous le nom de polissage sous contraintes. En effet, elle commence par déformer le fragment en vitrocéramique pour lui donner la forme inverse de la forme visée (le segment est « sous contraintes »). Puis elle applique le polissage avec l’outil de grande taille (polissage sphérique, plus simple), et finalement relâche les contraintes : le segment prend sa forme finale avec le poli adéquat. Cette technique dite de « stress mirror polishing » (SMP) n’est pas une première. « Elle avait été utilisée pour fabriquer les 36?segments des deux télescopes Keck d’Hawaï. Mais elle n’était pas encore au point et beaucoup de retouches ont finalement été nécessaires », précise Marc?Ferrari.

Le LAM, où est développée une machine prototype de polissage SMP, a déposé des brevets avec Thales Seso pour améliorer la technique de polissage sous contraintes. Le gain de temps dû au SMP est significatif, affirme ses promoteurs, même si quelques retouches finales subsistent encore, réalisées par un polissage robotisé maîtrisé par Thales Seso. Le laboratoire travaille notamment sur la répétabilité : la déformation et le polissage final doivent être identiques d’un segment à l’autre. Pour tenir la cadence lors du contrôle de la géométrie des segments en fin de fabrication, le LAM veut intégrer des palpeurs mécaniques dans la machine de déformation. Ce qui permettrait de vérifier la pièce en une?heure, au lieu de plusieurs jours par les méthodes optiques actuelles.

Un?autre adepte du polissage sous contraintes est l’américain Tinsley, qui veut également l’appliquer au miroir du télescope TMT. Autre point commun avec les deux équipes françaises : un polissage sur des segments au départ circulaires, qui sont ensuite découpés à la forme hexagonale requise pour l’assemblage du miroir. Les Britanniques d’Optic ont fait le choix inverse. Ils découpent d’abord les segments à leur forme finale, avant de pratiquer toutes les opérations d’usinage et de polissage. Deux?options opposées pour résoudre un problème commun, qui est de garantir la qualité des segments jusque sur les bords, et de limiter les défauts engendrés par la découpe.

Industrialiser le procédé de polissage

Mais la stratégie alternative des Britanniques a surtout pour objectif, comme celles de ses concurrents, de produire à une cadence industrielle. Moins de manutention, donc moins de risque d’endommagements accidentels, et la possibilité d’un procédé en ligne simplifié, tels sont les arguments des spécialistes d’Optic. « Notre procédé de polissage à?commande numérique nous permet d’obtenir des segments qui répondent aux spécifications de l’E-ELT, y compris sur les bords », affirme Mike?Parry-Jones, coordinateur du?projet à?l’université de Glyndwr. La question du contrôle a été résolue par une « tour de test » placée au-dessus de la machine de polissage, afin de réaliser les mesures in situ. Comme Reosc, OpTIC a livré à l’ESO des prototypes de faisabilité. « Nous travaillons à augmenter la vitesse de polissage pour atteindre les cadences de production visées », indique Mike?Parry-Jones. Des discussions sont en cours avec des partenaires pour l’industrialisation du procédé.

Pour le LAM, le partenaire industriel est tout trouvé, ce sera Thales Seso. Une ligne de production dédiée doit en résulter, après un important travail d’industrialisation : conception des machines, vérification des temps alloués à chaque étape… Pour une?production industrielle, mais pas en série. « Le miroir de l’E-ELT met en jeu 133?familles de segments de géométries différentes. Cela veut dire qu’une?série comprend au mieux sept?segments… », souligne Philippe?Pelouas, responsable du projet chez Thales Seso. Le démarrage de la production est planifié pour 2019. D’ici là, les autres candidats auront, eux aussi, fait du chemin. Plusieurs fournisseurs pourraient se partager le contrat. 

Une vue imprenable sur l’Univers


L’European extremely large telescope (E-ELT) sera installé à 3 000 mètres d’altitude, dans le désert chilien d’Atacama, réputé pour la pureté de son ciel, et où fonctionnent déjà notamment les quatre unités du Very large telescope (VLT, de 8 mètres de diamètre).

Avec ses 978 m2 de surface collectrice, le miroir principal de 39 mètres de diamètre du télescope est conçu pour capter davantage de lumière que… la somme de tous les grands télescopes actuels.

Le télescope est constitué de cinq miroirs, dont l’un est adaptatif : il est posé sur 6 000 actionneurs qui déforment sa surface et corrigent ainsi en temps réel – 1 000 fois par seconde – les déformations de l’image dues aux turbulences atmosphériques.

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