Les rayonnements spatiaux peuvent endommager les satellites : les matériaux de nouvelle génération pourraient s’auto-réparer lorsqu’ils sont exposés aux rayons cosmiques

L’environnement spatial est rude et plein de rayonnements extrêmes. Les scientifiques qui conçoivent des engins spatiaux et des satellites ont besoin de matériaux capables de résister à ces conditions.

Dans un article publié en janvier 2024 dans Communications naturellesmon équipe de chercheurs en matériaux a démontré qu’un matériau semi-conducteur de nouvelle génération appelé pérovskite aux halogénures métalliques peut réellement récupérer et se guérir des dommages causés par les radiations.

Les pérovskites aux halogénures métalliques sont une classe de matériaux découverts en 1839 et que l’on trouve en abondance dans la croûte terrestre. Ils absorbent la lumière du soleil et la convertissent efficacement en électricité, ce qui en fait un choix potentiellement intéressant pour les panneaux solaires spatiaux capables d’alimenter des satellites ou de futurs habitats spatiaux.

Les chercheurs fabriquent des pérovskites sous forme d’encres, puis enduisent les encres sur des plaques de verre ou de plastique, créant ainsi des dispositifs minces ressemblant à des films, légers et flexibles.

Étonnamment, ces cellules solaires à couches minces fonctionnent aussi bien que les cellules solaires au silicium classiques lors des démonstrations en laboratoire, même si elles sont presque 100 fois plus fines que les cellules solaires traditionnelles.

Mais ces films peuvent se dégrader s’ils sont exposés à l’humidité ou à l’oxygène. Les chercheurs et l’industrie travaillent actuellement à résoudre ces problèmes de stabilité pour le déploiement terrestre.

Pour tester leur résistance dans l’espace, mon équipe a développé une expérience de rayonnement. Nous avons exposé des cellules solaires pérovskites à des protons à basse et haute énergie et avons découvert une nouvelle propriété unique.

Les protons à haute énergie ont guéri les dommages causés par les protons à basse énergie, permettant à l’appareil de récupérer et de continuer à faire son travail. Les semi-conducteurs conventionnels utilisés pour l’électronique spatiale ne présentent pas cette guérison.

Mon équipe a été surprise par cette découverte. Comment un matériau qui se dégrade lorsqu’il est exposé à l’oxygène et à l’humidité peut-il non seulement résister aux rayonnements agressifs de l’espace, mais également s’auto-réparer dans un environnement qui détruit les semi-conducteurs en silicium conventionnels ?

Dans notre article, nous avons commencé à percer ce mystère.

Pourquoi est-ce important

Les scientifiques prédisent qu’au cours des 10 prochaines années, les lancements de satellites en orbite proche de la Terre augmenteront de façon exponentielle et que les agences spatiales telles que la NASA visent à établir des bases sur la Lune.

Des matériaux capables de tolérer des radiations extrêmes et de s’auto-réparer changeraient la donne.

Les chercheurs estiment que le déploiement de quelques kilos seulement de matériaux pérovskites dans l’espace pourrait générer jusqu’à 10 000 000 de watts de puissance. Il en coûte actuellement environ 4 000 dollars par kilogramme (1 818 dollars par livre) pour lancer des matériaux dans l’espace. Des matériaux efficaces sont donc importants.

Ce qu’on ne sait toujours pas

Nos résultats mettent en lumière un aspect remarquable des pérovskites : leur tolérance aux dommages et aux défauts. Les cristaux de pérovskite sont un type de matériau mou, ce qui signifie que leurs atomes peuvent se déplacer dans différents états que les scientifiques appellent modes vibratoires.

Les atomes des pérovskites sont normalement disposés en réseau. Mais les radiations peuvent déplacer les atomes et endommager le matériau. Les vibrations pourraient aider à repositionner les atomes, mais nous ne savons toujours pas exactement comment ce processus fonctionne.

Et après?

Nos résultats suggèrent que les matériaux souples pourraient être particulièrement utiles dans les environnements extrêmes, notamment dans l’espace.

Mais les radiations ne sont pas la seule contrainte que subissent les matériaux lorsqu’ils évoluent dans l’espace. Les scientifiques ne savent pas encore comment les pérovskites se comporteront lorsqu’elles seront exposées simultanément à des conditions de vide et à des variations extrêmes de température, ainsi qu’aux rayonnements. La température pourrait jouer un rôle dans le comportement de guérison observé par mon équipe, mais nous devrons mener davantage de recherches pour déterminer comment.

Ces résultats nous indiquent que les matériaux souples pourraient aider les scientifiques à développer une technologie efficace dans des environnements extrêmes. Des recherches futures pourraient approfondir la manière dont les vibrations de ces matériaux sont liées aux propriétés d’auto-guérison.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l’article original.