Les étapes futures de l'exploration robotique du Système solaire nous amèneront sur les lunes de Jupiter et de Saturne. Envoyer des robots dans ces contrées si éloignées présente des défis de conception et d’ingénierie considérables. Le JPL et Autodesk, qui produit tout ce qui nous entoure à l’aide des nouvelles technologies, dont la fabrication additive et l’intelligence artificielle, se sont associés pour voir comment les outils d'Autodesk pourraient aider à la réalisation d'un lander capable de fonctionner dans des environnements très inhospitaliers pour des robots venus de la Terre.
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Dans le domaine de l'exobiologie, les dernières découvertes autour des planètes JupiterJupiter et SaturneSaturne laisseraient penser que des signes de vie en activité sont plus susceptibles de se trouver sur les lunes de Saturne et Jupiter, plutôt que sur Mars où l'on a bien plus de chance de trouver des fossiles de vie éteinte.
Ces nouvelles questions poussent les agences spatiales à aller chercher les réponses « là-bas ». Mais « là-bas » sont aujourd'hui les endroits du Système solaire les plus difficiles d'accès, voire impossibles au regard de la technologie disponible.
À la difficulté d'envoyer des missions aussi loin, s'ajoutent des difficultés liées à l'environnement dans lequel fonctionnera le lander : des « défis de conception et d'ingénierie bien plus importants que ceux nécessaires à la réalisation des véhicules que l'on envoie sur Mars par exemple », nous explique Fikret Kalay, responsable R&D robotiquerobotique, fabrication et composites chez Autodesk. Parmi les contraintes fortes, on citera en exemple, le froid et « ses températures très inférieures à zéro », les radiations « avec des niveaux des milliers de fois supérieurs à ceux sur Terre » et un très faible niveau d'ensoleillement qui exclut l'usage de cellules solaires. Mais avant tout, il faut « tenir compte du poids au décollage à toutes les étapes de la réalisation du projet ». Ce poids au décollage est un élément crucial quand on parle de conquête spatiale. « Chaque kilogramme en moins sur la charge structurelle permet d'augmenter la charge utile. »
De nouvelles approches en matière de conception de mission spatiale
Pour tenir compte des progrès apportés par les nouvelles technologies, le laboratoire JPLJPL de la NasaNasa et Autodesk se sont engagés dans un projet de recherche collaborative pluriannuel afin d'explorer de nouvelles méthodes de conception et de fabrication pour l'exploration spatiale, en utilisant notamment la technologie de conception générative d'Autodesk.
Cette collaboration public-privé permet au laboratoire JPL, qui doit rechercher de nouvelles façons de procéder tout en minimisant les risques, de « tenir compte des progrès apportés par les nouvelles technologies », souligne Karl Willis, responsable technologique chez Autodesk. Il revient au JPL de voir ensuite l'intérêt ou non « d'insérer ces technologies dans ces processus ». Pour démontrer tout l'intérêt de la conception générative, les deux partenaires ont réalisé un prototype de lander capable de survivre dans les systèmes jupitérien et saturnien. « Trois méthodes différentes de fabrication (impression 3Dimpression 3D, usinage CNC et moulage) ont été utilisées pour fabriquer les parties du lander. » En résumé, l'équipe du JPL a étudié l'utilisation de cette technologie pour plusieurs composants structurels, y compris la structure interne qui contient les instruments scientifiques et la structure externe reliant les pattes du lander au conteneur principal. Le résultat est très positif et encourageant : « l'équipe a pu réduire de 35 % la massemasse de la structure externe par rapport à la conception initiale », conclut Karl Willis.
La parole est donnée à Fikret Kalay, responsable R&D robotique, fabrication et composites chez Autodesk
Ce concept de lander va-t-il donner naissance à un projet concret de lander ?
Fikret Kalay : Pour le moment, ce prototype de lander n'ira pas dans l'espace. Par ailleurs, il n'a pas vocation à se mouvoir. Il s'agit d'un premier projet expérimental qui va cependant ouvrir la voie à de nouvelles pistes de développement permettant de créer des objets plus solidessolides et plus légers à des fins d'exploration spatiale.
De quelles nouvelles approches et nouveaux processus est-il question ?
Fikret Kalay : L'équipe a étudié l'utilisation de la conception générative pour plusieurs composants structurels du lander (internes et externes) et a ainsi pu réduire de 35 % la masse de la structure externe par rapport à la conception initiale. Chaque kilogramme en moins au décollage permet d'augmenter la charge scientifique des capteurscapteurs et des instruments. Les matériaux utilisés sont l'aluminiumaluminium (pour ses propriétés liées au poids) et le titanetitane (pour sa résistancerésistance aux variations de température). Nous avons aussi utilisé différents processus de fabrication pour donner vie à ce lander : l'impression 3D ou fabrication additive, l'usinage CNC et le moulage.
Pourquoi s'agit-il de la structure la plus complexe jamais créée en conception générative et où se trouve cette complexité ?
Fikret Kalay : La technologie de conception générative d'Autodesk est une nouvelle approche basée sur l'intelligence artificielleintelligence artificielle qui aide les concepteurs à générer des solutions de conception en fonction des objectifs et des contraintes définies par les ingénieurs. Ces contraintes peuvent être liées au poids, à la résistance, au matériaumatériau ou à la méthode de fabrication. Cela permet aux ingénieurs d'explorer un vaste espace de conception tout en restant liés par les exigences de fabrication et de performances dictées préalablement. Une version commerciale de la technologie de conception générative est disponible dans Autodesk FusionFusion 360.
Pourquoi ce concept de lander est-il peut-être la structure la plus compliquée jamais créée à l'aide de la conception générative ?
Fikret Kalay : 90 % de la structure du lander a été conçue grâce à la conception générative. C'est une structure complexe car elle n'aurait pu être dessinée par un humain. Cependant, la mise en équationéquation du problème dans le logiciellogiciel est très simple et le calcul se fait automatiquement en temps masqué par l'ordinateurordinateur. La plupart des équipes de design mettent généralement entre deux et quatre mois pour modifier une nouvelle conception. En travaillant avec la conception générative, ce processus ne prend que deux à quatre semaines. Dans le cas du lander, le logiciel a généré des centaines de formes différentes et les équipes ont ainsi pu analyser celles qui répondaient au plus proche de leurs exigences.
Votre collaboration avec le JPL va-t-elle se poursuivre ?
Fikret Kalay : Nous ne pouvons pas faire de commentaires sur les prochains projets de collaboration. Ce que l'on peut dire, c'est que l'utilisation de la conception générative est encore officiellement considérée comme un projet de recherche pour le développement au sein du laboratoire JPL.
Ce qu’il faut
retenir
- Les prochaines étapes de l'exploration robotique amèneront rovers et landers dans des environnements très difficiles, notamment sur les lunes de Jupiter et Saturne.
- Les moyens traditionnels de construction ne suffiront plus pour de telles missions.
- Le JPL et Autodesk recherchent de nouvelles méthodes de conception et de fabrication pour l’exploration spatiale.
- La fabrication additive et l'intelligence artificielle ont été associées pour démontrer qu'il est possible de réaliser un lander aux caractéristiques inédites en termes de forme et de performance.
