Panneaux solaires sur mesure pour CubeSats : une initiative étudiante

Les CubeSats, ou CubeSats, sont des petits satellites qui deviennent de plus en plus populaires pour diverses missions. Ils sont souvent utilisés pour surveiller la Terre, réaliser des études scientifiques, et faciliter la communication avec d'autres satellites ou stations au sol. Les CubeSats sont fabriqués dans des tailles standard, mesurées en "unités", où chaque 1U est un cube d'environ 10 cm de côté. Comme ils sont moins chers et plus faciles à créer que les satellites traditionnels, de plus en plus de CubeSats sont lancés dans l’espace.

La plupart des CubeSats dépendent de Panneaux solaires pour l’énergie. Ces panneaux sont généralement achetés auprès de sources commerciales. Cependant, il y a un manque d’options open source, qui ne sont pas couramment disponibles. Pour combler ce manque, nous avons développé un design pour des panneaux solaires abordables et personnalisables qui peuvent être utilisés sur les CubeSats. Cette innovation est particulièrement utile pour les projets étudiants, car elle leur permet de créer leurs propres panneaux, économisant de l’argent et offrant une expérience pratique précieuse.

#Défis avec les Panneaux Solaires Commerciaux

Bien que les panneaux solaires commerciaux soient facilement disponibles, ils présentent des limites. Ils peuvent être difficiles à assembler avec d’autres parties du satellite. De plus, un panneau solaire standard pour un CubeSat 3U peut coûter très cher, souvent plusieurs dizaines de milliers de dollars. Ce coût élevé peut dissuader les étudiants et les petites équipes de lancer leurs projets. Les frais de main-d'œuvre et de développement ajoutent également beaucoup au budget global.

En concevant leurs propres panneaux solaires, les étudiants peuvent les fabriquer et les tester, ce qui aide à réduire les coûts et fournit des opportunités de formation pour les futurs ingénieurs. La production en interne peut conduire à des conceptions plus robustes. Les panneaux personnalisés peuvent être configurés pour offrir les meilleures performances et peuvent être intégrés plus facilement dans les systèmes de satellites existants.

#Le Projet Northern SPIRIT

En 2017, un groupe d'étudiants de premier cycle de l'Université de l'Alberta a lancé l'Ex-Alta 1, leur premier CubeSat, qui a mené des expériences de magnétométrie en orbite basse. S'appuyant sur ce succès, ils ont décidé de travailler sur une constellation de satellites appelée la constellation Northern SPIRIT, en partenariat avec des étudiants de l'Université du Yukon et de l'Aurora Research Institute. Ce projet a reçu un financement de l'Agence spatiale canadienne et comprend trois satellites : Ex-Alta 2, YukonSat et AuroraSat.

Un des objectifs d'Ex-Alta 2 était de surveiller les incendies de forêt, et un autre était de créer des panneaux solaires pour les trois satellites. Comme de nombreuses solutions open source n'étaient pas disponibles, l'équipe a consacré une quantité importante de temps et de ressources à développer ses propres conceptions de panneaux solaires. Ces panneaux personnalisés ont été déployés avec succès depuis la Station spatiale internationale en avril 2023, et nous discutons de leur conception et fonctionnalité ici.

#Conception et Fonctionnalité des Panneaux Solaires

Nous avons créé un design de panneau solaire qui peut être personnalisé pour de futures missions CubeSat. Ce design inclut les procédures d'assemblage, les résultats des Tests, et les plans d'amélioration futurs. Avant le lancement, les panneaux ont subi des tests rigoureux, y compris des conditions de température et de vide, ainsi que des tests de vibration.

Nos panneaux solaires étaient organisés dans un système de déploiement en aile, ce qui leur a permis de générer suffisamment d'énergie pour les besoins du satellite. Chaque panneau sur l'Ex-Alta 2 contenait six cellules solaires, et nous avons utilisé plusieurs capteurs pour surveiller les performances. Les panneaux étaient orientés vers la Terre, ce qui est important pour maximiser l'énergie solaire.

#Processus d’Assemblage des Panneaux Solaires

Le processus d'assemblage de nos panneaux solaires a été développé pour s'assurer que les cellules solaires étaient correctement fixées, réduisant le risque de problèmes pouvant survenir après le déploiement. Nous avons utilisé une méthode de ruban adhésif double face ainsi qu'une technique de couture pour éviter les poches d'air qui pourraient endommager les cellules solaires. Ces méthodes ont été testées plusieurs fois pour garantir leur fiabilité.

Les panneaux ont été construits selon un processus minutieux pour attacher les cellules aux cartes de circuits imprimés (PCB). D'abord, nous avons découpé le ruban pour qu'il s'adapte aux cellules solaires et les avons fixées en place. Nous avons appliqué l'adhésif soigneusement pour éviter de piéger de l'air. Après l’assemblage, les panneaux ont été testés pour leur performance électrique afin de s'assurer qu'ils étaient sûrs et efficaces pour une utilisation dans l'espace.

#Test des Panneaux Solaires

Des tests rigoureux étaient une étape clé dans le développement de nos panneaux solaires. Chaque cellule a été examinée pour détecter des défauts et testée pour la génération d'énergie sous différentes conditions d'éclairage. Nous avons utilisé différentes sources de lumière pour simuler comment les panneaux se comporteraient dans l'espace et pour nous assurer qu'ils répondaient à nos attentes de performance.

Les panneaux assemblés ont ensuite été soumis à des tests supplémentaires pour s'assurer qu'ils fonctionnaient correctement dans des conditions réelles. Nous les avons placés dans une chambre à vide pour simuler l'espace et avons effectué des tests fonctionnels pour confirmer qu'ils pouvaient fonctionner comme prévu. Cette évaluation approfondie nous a permis d'identifier tout problème avant le lancement des satellites.

#Évaluation des Risques de Déploiement

Nous devions également évaluer les risques associés au déploiement des panneaux solaires. Si les panneaux ne se déploient pas correctement, le satellite pourrait ne pas générer l’énergie nécessaire pour fonctionner. Pour évaluer ce risque, nous avons considéré différents scénarios, y compris le cas où le déploiement des panneaux solaires pourrait échouer.

Pour que les satellites fonctionnent correctement, ils doivent accomplir diverses tâches, chacune nécessitant une certaine quantité d'énergie. Nous avons mesuré combien d'énergie serait générée en cas de déploiement réussi et échoué. Les simulations ont montré que même en cas d'échec, les satellites pourraient toujours fonctionner, bien que leur fonctionnalité serait limitée.

#Magneto-Torqueurs Intégrés

Une partie importante du contrôle des satellites consiste à maintenir leur orientation en orbite. Cela se fait généralement avec des systèmes de contrôle d'attitude, qui peuvent être encombrants. Nous avons exploré la possibilité d'intégrer des magneto-torqueurs, qui sont des bobines pouvant aider à diriger le satellite, directement dans les panneaux solaires pour gagner de la place.

Utiliser trois magneto-torqueurs positionnés sur différents côtés du satellite permet un contrôle efficace de son orientation. Les conceptions ont été optimisées pour maximiser leur efficacité, bien que les magneto-torqueurs n’aient pas été inclus dans le modèle de vol d'Ex-Alta 2 puisque le satellite utilisait des systèmes standards.

#Conclusion et Directions Futures

En résumé, nous avons conçu et testé avec succès des panneaux solaires personnalisables pour les CubeSats dans le cadre du projet Northern SPIRIT. Notre approche fournit une alternative économique et pratique aux solutions préfabriquées, en éliminant les barrières pour les missions de satellites menées par des étudiants. Nous continuerons à peaufiner ces conceptions pour de meilleures performances à mesure que de nouvelles missions se présenteront.

En partageant publiquement nos fichiers de conception et nos procédures d'assemblage, nous visons à soutenir de futurs projets de CubeSat et à promouvoir des initiatives open source dans l'exploration spatiale. Ce projet non seulement améliore les opportunités éducatives pour les étudiants, mais contribue également au domaine en pleine expansion de la technologie spatiale. En regardant vers l'avenir, notre objectif sera d'améliorer la conception et la fonctionnalité, en veillant à répondre aux besoins des missions futures.