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Cette pince robotique inspirée de Gecko pourrait aider à nettoyer les débris spatiaux


Les ingénieurs de l'Université de Stanford ont récemment conçu une pince robotique dotée d'un adhésif inspiré du gecko à utiliser pour collecter les débris spatiaux. Les chercheurs ont mené à bien des essais préliminaires dans plusieurs environnements à gravité zéro, y compris à bord de la Station spatiale internationale.

Ces dernières années, Gecko a fait la une des journaux majeurs pour ses remarquables capacités biotechnologiques. Les chercheurs ont imité les pieds adhérents inégalés des geckos qui leur permettent de redimensionner presque toutes les surfaces à presque tous les angles. Maintenant, les ingénieurs de Stanford utilisent la technologie gecko pour résoudre un autre problème humain, les déchets spatiaux.

Plus de 500000 morceaux de débris d'origine humaine restent dans l'espace

Depuis Spoutnik I, le premier satellite artificiel mis en orbite en 1957, il y a eu un afflux régulier de satellites orbitaux - dont beaucoup ont depuis été abandonnés. Actuellement, plus de 500,000 des morceaux de débris spatiaux artificiels restent en orbite autour de la Terre.

Des centaines de milliers de satellites abandonnés restent dans l'espace. [Source de l'image: Place spatiale de la NASA]

Dans les conditions difficiles de l'espace, la durée de vie de chaque satellite est limitée. Les satellites ne restent fonctionnels que si longtemps avant que leurs pièces ne vieillissent et ne s'usent. Finalement, tous les satellites artificiels mourront et feront partie du nombre toujours croissant de débris spatiaux encerclant la Terre. Actuellement, plus de 95% des satellites restant en orbite ne sont plus fonctionnels.

Les débris spatiaux constituent une menace pour les autres satellites et les instruments en orbite autour de la Terre. Voyageant à des milliers de kilomètres à l'heure, une frappe d'un morceau de débris spatiaux voyous pourrait détruire un autre satellite ou potentiellement tuer un astronaute à bord d'une station spatiale. Chaque année, de nombreux autres satellites sont envoyés dans l'espace, encombrant les passages. Les ingénieurs de Stanford veulent atténuer la situation avant qu'elle ne se transforme en problème majeur. Leur solution proposée est d'utiliser des gecko-pinces pour extraire les débris spatiaux.

Une pince robotique inspirée de Gecko

Le rangement des débris spatiaux pose un problème unique, que les technologies traditionnelles ne peuvent pas résoudre. Dans l'espace, les conditions sont rudes. Il n'y a pas d'air et il fait incroyablement froid.

Les adhésifs typiques comme le ruban ne peuvent pas résister aux changements de température extrêmes. La chaleur modifie physiquement les produits chimiques et le froid rend tout cassant.

Pour des raisons évidentes, les ventouses ne sont pas non plus une solution viable. Sans atmosphère pour créer un vide, l'aspiration est impossible.

Par conséquent, comme le voient les chercheurs de l’université de Stanford et du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, il n’existe qu’une solution claire: les pinces gecko.

«Ce que nous avons développé est une pince qui utilise des adhésifs inspirés du gecko», déclare Mark Cutkosky, professeur de génie mécanique et auteur principal de l’article. "C'est une conséquence du travail que nous avons commencé il y a environ 10 ans sur des robots d'escalade qui utilisaient des adhésifs inspirés par la façon dont les geckos collent aux murs."

Une situation délicate

Les geckos tirent leur emprise sur des poils microscopiques qui se séparent en segments encore plus petits à la pointe. Les extrémités se sont divisées en milliards de points de contact. Lorsqu'elles se rapprochent d'une surface, les pointes sont saisies par ce que l'on appelleForces de Van der Waals.

Les électrons déterminent en grande partie la polarité d'une molécule. Cependant, ils se déplacent également incroyablement vite, ce qui peut momentanément changer la polarité d'un atome ou d'une molécule. Le changement momentané donne à une molécule juste assez de temps pour se lier à une autre. CommeSciencedécrit;

"Cette force provient des fluctuations des distributions de charge entre les molécules voisines, qui n'ont pas besoin d'être polaires; leurs fluctuations de charge se synchronisent naturellement, créant une force attractive."

La force est incroyablement faible. Cependant, l'utilisation de milliards de points de contact augmente de manière exponentielle l'adhérence. En règle générale, une plus grande charge sur les points de contact augmente l'adhérence. Par conséquent, en réduisant la charge, la poignée est facilement relâchée car il n'y a pas de liaison physique.

[Source de l'image:Kurt Hickman / Université de Stanford]

Les chercheurs de Stanford utilisent cet effet en mettant en œuvre des millions de volets microscopiques le long d'une feuille flexible. Au contact et sous une charge, les volets se plient, créant les points de contact et permettant au matériau de s'accrocher à un objet.

«De nombreuses missions en bénéficieraient, comme les rendez-vous, l’arrimage et l’atténuation des débris orbitaux», déclare Aaron Parness, MS ’06, PhD ’10, chef de groupe du groupe Extreme Environment Robotics chez JPL. «Nous pourrions également développer un assistant robot d'escalade qui pourrait ramper sur le vaisseau spatial, effectuer des réparations, filmer et vérifier les défauts.»

Obtenir une prise avec les geckos

Les micro-rabats utilisés pour constituer les points de contact sont plusieurs fois plus grands que les poils sur le pied d'un gecko.

"Les rabats de l'adhésif mesurent environ 40 micromètres de diamètre tandis que ceux d'un gecko mesurent environ 200 nanomètres - mais l'adhésif inspiré du gecko fonctionne à peu près de la même manière", rapporte l'Université de Stanford.

Les propriétés flexibles de l'adhésif lui permettent de se conformer à un objet irrégulier sans gêner la force de sa prise. La flexibilité est impérative pour un robot destiné à collecter de nombreux satellites constitués de nombreux matériaux aux formes multiples.

«En imaginant que vous essayez de saisir un objet flottant, vous voulez vous conformer à cet objet tout en étant aussi flexible que possible, afin de ne pas repousser cet objet», explique Hao Jiang, étudiant diplômé du laboratoire Cutkosky et auteur principal de l'article. «Après avoir saisi, vous voulez que votre manipulation soit très rigide, très précise, afin de ne pas ressentir de retard ou de mou entre votre bras et votre objet.»

Les resultats

Sur Terre, les conditions sont incroyablement différentes par rapport aux conditions extrêmes de l'espace. Néanmoins, les chercheurs de Stanford à l'origine du projet ont conçu des expériences ingénieuses pour tester leur robot sur Terre.

Les pinces robotiques ont été testées dans une chambre à vide pour prouver ses capacités de préhension dans des conditions de quasi-vide. Les résultats ont été en grande partie un grand succès, conduisant les chercheurs à franchir les étapes suivantes pour tester les capacités du robot dans des situations de gravité zéro.

L'équipe a emmené le robot dans un avion spécialement modifié qui s'est envolé à haute altitude. Ensuite, en contrôlant le taux de descente et en adaptant son accélération à la gravité, tout ce qui se trouvait à l'intérieur de l'avion est devenu "en apesanteur".

«[Dans l'avion] nous avions un robot pourchasser l'autre, l'attraper et le ramener là où nous voulions qu'il aille», dit Hawkes. «Je pense que c'était vraiment une révélation, de voir comment un patch relativement petit de notre adhésif pouvait tirer autour d'un Robot de 300 kilogrammes.”

La NASA, intéressée par la technologie, a amené plusieurs petits morceaux d'adhésif jusqu'à l'ISS pour tester le matériau dans un environnement similaire aux conditions extrêmes attendues loin sur l'orbite terrestre. Semblable aux essais liés à la Terre, la NASA a conclu que les pinces fonctionnent extraordinairement bien.

Peut-être parfois bientôt, la NASA et d'autres agences peuvent commencer à nettoyer les restes du cimetière satellite encerclant la Terre qui continue de s'agrandir un peu plus chaque année.

Où les satellites vont mourir

Lorsqu'il s'agit de démanteler un satellite obsolète, les ingénieurs ont généralement deux choix.

Pour les satellites en orbite basse, les réserves de carburant sont utilisées pour ralentir le satellite, le forçant à succomber à l'attraction gravitationnelle de la Terre. Finalement, il tombera hors de son orbite. Le satellite rentre dans l'atmosphère terrestre où il brûle. Lorsque le satellite tombe, la chaleur générée par le frottement de l'air incinère rapidement le métal et d'autres matériaux avant de redescendre.

Fait amusant: Les objets trop gros pour être complètement incinérés lors du trajet de retour sont guidés dans une zone connue sous le nom de Cimetière de vaisseaux spatiaux. L'emplacement est à peu près aussi loin que vous pouvez obtenir de n'importe quelle civilisation - en plein centre de l'océan Pacifique Sud. Des fragments qui n'incinèrent pas complètement s'écrasent et s'immobilisent dans une tombe aqueuse, loin de toute vie humaine.

[Source de l'image: Place spatiale de la NASA]

Malheureusement, ralentir suffisamment l'orbite d'un satellite nécessite une quantité importante de carburant - carburant qui peut ne plus exister dans la réserve des satellites anciens et usés. Parfois, il est plus facile de faire sauter un satellite plus loin que de le renvoyer sur Terre.

Orbites du cimetière

Les satellites en orbite haute sont souvent envoyés sur l'orbite du cimetière. En utilisant le peu de carburant qui reste, les ingénieurs peuvent faire exploser le satellite en orbite 300 km au-dessus de tous les actifs restant ci-dessous. Ces satellites restent en orbite pour toujours, presque 40000 km au-dessus de la surface de la Terre.

"Alors, est-ce la fin pour ces satellites lointains? En ce qui nous concerne, vous et moi! Cependant, certains de ces satellites resteront en orbite pendant très, très longtemps. Peut-être un jour dans le futur, les humains devront peut-être envoyer des «camions poubelles spatiaux» pour les nettoyer. Mais pour l'instant, au moins, ils seront à l'écart », commente la NASA sur son site Web.

Avec des centaines de milliers de satellites restant en orbite, les scientifiques travaillent maintenant sur des «camions poubelles spatiaux» pour nettoyer les dégâts laissés dans l'espace. Enfin, il existe une troisième option, plus éthique, pour se débarrasser des satellites malhonnêtes: l'extraction et le recyclage.

Bien qu'il n'en soit encore qu'à ses débuts, les nouveaux pinces inspirées du gecko de Stanford pourraient enfin aider les chercheurs à maîtriser le problème des débris spatiaux de la Terre.

Source de l'image en vedette:NASA Space Place et Stanford / YouTube

Sources: Université de Stanford, NASA

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Écrit par Maverick Baker


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