Fin de l'exploitation du satellite d'observation planétaire spectroscopique Hisaki
Dix ans de contribution du réseau de diffraction de Shimadzu

En décembre 2023, le satellite d'observation spectroscopique des planètes Hisaki a achevé sa mission de dix ans. Le cœur du spectromètre nécessaire aux observations est un réseau de diffraction développé par Shimadzu Corporation.

Des chercheurs de la JAXA et de l'université, ainsi que du personnel Shimadzu, ont évoqué les 15 ans du projet Hisaki et se sont remerciés mutuellement.

En mars 2025, six chercheurs de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA), de l'Université de Tokyo, de l'Université du Tohoku et de l'Université Rikkyo se sont rendus chez Shimadzu Corporation pour présenter aux employés Shimadzu les réalisations du Hisaki et annoncer le concept de développement du modèle de nouvelle génération. Ils ont également échangé avec les membres de l'équipe de développement initiale et d'autres collaborateurs Shimadzu qui ont lancé le projet il y a 15 ans.

 

Réseau de diffraction de Shimadzu pris en charge
Observations pour déterminer l'origine des planètes

Présentations des chercheurs de la JAXA à Shimadzu Corporation

On dit qu'à l'origine du système solaire, Vénus et Mars étaient très semblables à la Terre, avec beaucoup d'air et d'eau. Cependant, il y a plusieurs milliards d'années, Vénus s'est transformée en une planète brûlante avec des températures de surface supérieures à 450 °C, tandis que Mars est devenue une planète glaciale avec des températures inférieures à -50 °C.

Qu'est-ce qui a causé une telle différence de température ? Pourquoi la Terre est-elle le seul endroit de l'univers à posséder un environnement propice à la vie ? Si nous pouvions répondre à ces questions, nous pourrions peut-être imaginer à quoi ressemblera la Terre dans un futur lointain. C'est l'une des réflexions des chercheurs qui ont inspiré le lancement d'Hisaki dans l'espace.

Hisaki est le premier télescope spatial au monde destiné à l'observation planétaire, équipé d'un spectromètre ultraviolet extrême développé par la JAXA. Bien qu'il soit qualifié de télescope, Hisaki n'obtient pas d'images photographiques des planètes. Il se limite à l'étude des propriétés atmosphériques et du champ magnétique des planètes cibles par des mesures spectrales spectrométriques. Le département des dispositifs de Shimadzu était chargé du développement du réseau de diffraction, composant clé du spectromètre.

Shimadzu a commencé à fabriquer des réseaux de diffraction, des dispositifs optiques qui brillent comme un arc-en-ciel, il y a 50 ans

Les réseaux de diffraction sont des éléments optiques essentiels aux technologies de séparation (monochromatisation) de la lumière en ses longueurs d'onde respectives. La monochromatisation est une technologie analytique essentielle non seulement à la chimie, à la biologie et à d'autres domaines de la recherche, mais également aux avancées dans de nombreux autres secteurs, tels que les semi-conducteurs, les matériaux, les lasers et les communications optiques.

La fabrication de réseaux de diffraction nécessite des technologies de traitement très sophistiquées, impliquant la cuisson d'une couche mince sur un substrat et la découpe de rainures de l'ordre du micron (1/1000e de millimètre). Shimadzu a commencé à collaborer avec RIKEN, une agence nationale de recherche et développement, dans le cadre de recherches conjointes dès 1975 environ, ce qui a permis de créer et de breveter de nouvelles techniques de fabrication. Plus tard, Shimadzu a commencé à fabriquer ses réseaux de diffraction de manière indépendante. Grâce aux progrès des technologies de fabrication, ces réseaux sont devenus un composant essentiel des systèmes spectrométriques uniques de Shimadzu.

Développé à partir d'une détermination singulière à satisfaire les besoins des clients

Des spécifications exceptionnelles sont requises pour les réseaux de diffraction utilisés dans des conditions spatiales particulières. Les mesures d'Hisaki ciblent l'extrême ultraviolet, dont les longueurs d'onde sont si courtes qu'elles ne peuvent être mesurées sur Terre en raison des interférences atmosphériques. Même en cherchant partout dans le monde, trouver une source pour un réseau de diffraction capable de monochromatiser des longueurs d'onde aussi courtes n'est pas chose aisée. C'est pourquoi, jour après jour, les fabricants de réseaux de diffraction du monde entier déclinaient la demande de l'équipe Hisaki de développer un tel réseau.

Atsushi Yamazaki, alors chef de projet Hisaki et professeur associé à la JAXA, se souvient : « Lorsque nous avons contacté Shimadzu pour la première fois, plutôt que de nous exclure immédiatement, Shimadzu a demandé à en savoir plus sur le projet. C'est ainsi que le projet a démarré. »

Le cahier des charges du réseau de diffraction à installer dans l'Hisaki exigeait la cuisson d'une fine couche appliquée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur un substrat spécial en carbure de silicium (SiC) à surface asphérique, puis la découpe de 1 800 rainures par millimètre. La largeur des rainures, du pic au creux, n'est que de 0,556 µm*. De plus, des exigences strictes de lissage des surfaces réfléchissantes après les rainures ont été ajoutées. Yamazaki a ri en se rappelant : « Il était absurde d'exiger des niveaux de spécification qui n'étaient même pas mesurables avec des outils de vérification classiques. »

*1 µm = 0,001 mm

Naotaka Murata, directeur adjoint, unité de vente industrielle, département national des ventes, division des ventes et du marketing, Shimadzu Corporation

Naotaka Murata, le commercial affecté au projet à l'époque, a ri en parcourant d'anciens e-mails et a déclaré : « Les exigences impliquaient clairement le niveau de difficulté le plus élevé possible. Néanmoins, nous avions été imprégnés de l'esprit de notre fondateur, Genzo Shimadzu Sr., qui disait : “Nous fabriquerons tout ce que le client demande.” Je me souviens que les membres de l'équipe, moi y compris, ont répondu positivement : “Essayons d'abord, puis nous discuterons de la marche à suivre en cas d'échec.” »

Relever le défi de notre premier projet spatial a conduit à une série de difficultés

Hiroyuki Sasai, directeur général, département des appareils, Shimadzu Corporation

Dès le début du développement, ils ont rencontré une série de difficultés. Sasai, alors ingénieur en chef, a déclaré : « Outre la difficulté de commander des échantillons, même après leur création conforme à la commande, toutes sortes de problèmes sont survenus, comme l'impossibilité de produire des données satisfaisantes. Il a donc fallu environ un an et demi de création et de vérification répétées de prototypes avant de réussir. Cependant, cet effort supplémentaire a rendu la joie encore plus grande lorsque le Hisaki a finalement été lancé dans l'espace. »

Hisaki devait garantir une fiabilité d'un an pour les pièces mobiles et de trois ans pour les pièces fixes, mais cela a permis d'obtenir des mesures continues dans l'espace pendant une période beaucoup plus longue, dix ans. Le nombre d'articles scientifiques utilisant les données de mesure d'Hisaki a atteint 67 articles (y compris les publications dans Science et Nature Communications en janvier 2025).

Atsushi Yamazaki a déclaré : « Malgré toutes nos demandes exigeantes à Shimadzu, ils ont continué à travailler avec nous et ont fait preuve d'une expertise technique remarquable. Leur plaisir de travail constant a facilité les échanges. J'ai eu la même impression lors de cette visite. J'espère que Shimadzu ne changera jamais. Pour nous, qui créons des spectromètres uniques en leur genre, introuvables ailleurs dans le monde, nous les considérons comme une entité véritablement rare. »

Au dernier rang, de gauche à droite, se trouvent Masato Kagitani, professeur adjoint à l'université de Tohoku, Shingo Kameda, professeur à l'université de Rikkyo, Go Murakami, professeur adjoint à la JAXA, Fuminori Tsuchiya, professeur à l'université de Tohoku, et Naotaka Murata et Yoshitaka Makino de Shimadzu Corporation.
Au premier rang, de gauche à droite, se trouvent Kazuo Yoshioka, professeur associé à l'Université de Tokyo, Atsushi Yamazaki, professeur associé à la JAXA, et Hiroyuki Sasai et Yuki Oue de Shimadzu Corporation.