Dans les salles blanches ultra-propres où le télescope spatial Webb a été préparé

Parti de Californie, aux États-Unis, l’observatoire spatial James Webb est arrivé au Centre spatial Guyanais (CSG) le 12 octobre. Depuis cette date, il est préparé en vue de son lancement à bord d'une Ariane 5Ariane 5 prévu le 22 24 décembre. Cette préparation est faite avec le souci permanent que l'observatoire, son miroir primaire de 6,5 mètres (composé de 18 segments hexagonaux constitués de béryllium et recouverts d'or) et ses instruments soient préservés de toute contaminationcontamination. Que ce soit des poussières, des molécules organiques ou des fibres vestimentaires. C'est pourquoi elle doit avoir lieu dans un environnement extrêmement propre.

Comme nous l'explique OlivierOlivier Schmeitzky, référent ESA (Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne) pour les aspects contamination lors de campagnes de lancement, « avec la NasaNasa, ArianespaceArianespace et le Cnes, nous avons mis en place des procédures spécifiques et un mode opératoire qui diffèrent par rapport à la préparation d'un satellite "classique" ». Le but est de supprimer au moins 90 % de la contamination qui est habituellement observée en salle blanche. Pour cela, l'équipe contamination du CSG a été renforcée et « compte 16 experts Contamination de la Nasa, ainsi qu'une vingtaine de personnes détachées par Arianespace et le Cnes pour les activités critiques » alors que seules deux à trois personnes sont chargées de ces tâches pour un satellite de télécommunication ou scientifique sans contraintes particulières.

Les différentes étapes avant le lancement du télescope spatial James Webb jusqu'au jour J. © ESA

Maintenir James Webb propre est un défi permanent

La salle blanche du Bâtiment S5, où sont préparées les charges utiles qui embarquent à bord des lanceurslanceurs, a été préparée bien avant l'arrivée du James Webb avec un « nettoyage effectué de fond en comble aussi appelé tornadetornade blanche » pour la rendre aussi propre que possible, c'est-à-dire « débarrassée de toutes poussières visibles et molécules organiques en suspension ».

Pour comprendre cette nécessité, il faut savoir que les poussières risquent de se « figer sur le miroir secondaire ou sur un ou plusieurs des 18 segments du miroir primaire, ce qui pourrait nuire considérablement à la qualité des observations, soit en bloquant directement la lumièrelumière infrarougeinfrarouge générée par les étoilesétoiles mais également en créant une lumière diffuse (scattering effect), phénomène que chaque automobiliste connait bien lorsque la vision est altérée derrière un pare-brise poussiéreux exposé au soleilsoleil rasant du matin ou du soir. Les particules électro-conductrices peuvent également altérer prématurément certains éléments électroniques ».

Dans le Bâtiment d’Assemblage Final, le télescope James Webb, plié, est installé sur le lanceur Ariane 5. © ESA, Manuel Pedoussaut

Quant aux molécules organiques, elles « pourraient se condenser sur le télescopetélescope et affecter la qualité des images transmises aux scientifiques en bloquant certaines longueurs d'ondeslongueurs d'ondes ou en jouant le rôle de radiateurradiateur thermique augmentant la température de surface ». Les fibres sont aussi un souci majeur des instruments de mesure. Des « études de simulations au sol ont démontré qu'elles pouvaient obstruer la fermeture des micro-shutter de l'instrument NIR-Spec ».

Toutes ces précautions et mesures prises pour lutter contre l'empoussièrement de l'observatoire et son miroir, « s'expliquent par la quasi impossibilité de nettoyer des miroirs ». C'est une « opération tellement délicate et difficile à réaliser que la Nasa veut à tout prix éviter ». C'est pourquoi, des inspections quotidiennes sont réalisées à la « lumière blanche rasante et la lumière noirelumière noire ». S'ajoute aussi un nettoyage régulier des infrastructures réalisé par une équipe qui « balaye toutes les surfaces avec des tissus, non pelucheux aux bords thermo-soudés, préalablement imbibés de solvantssolvants spécifiques en fonction des besoins -- eau déioniséeeau déionisée, alcoolalcool isopropilique, acétoneacétone ».

Afin de réduire d'un facteur 10 la présence de poussières en suspension et les dépôts sur le télescope, des filtres Hepa ont été intégrés dans les salles blanches, des « mursmurs de filtres mobilesmobiles ont été mis en place autour du télescope, qui poussent l'airair propre vers le satellite ». Enfin, des capteurscapteurs ont été répartis un peu partout pour « surveiller et alerter des niveaux d'empoussièrement dans l'air ambiant » et traquer une éventuelle source de contamination.

Photo prise lors du remplissage en carburants du JWST. Les techniciens sont obligés de porter une combinaison pressurisée en raison de la toxicité dans cet espace dédié. © ESA, Cnes, Arianespace

Pas de sésame, pas d'entrée

Le personnel qui travaille en salle blanche ainsi que le matériel qui y est intégré est « une des plus importantes sources de contamination ». C'est pourquoi le nombre de personnes qui travaillent autour de JWSTJWST est restreint de sorte que « l'accès aux salles blanches est strictement réservé aux personnes ayant un rôle opérationnel ». Et bien évidemment, aucun visiteur n'est admis en zone propre, « même des personnes considérées comme VIP doivent se contenter d'observer le téléscope derrière les vitresvitres des salles d'observation », tient à préciser Olivier Schmeitzky avec un sourire, qui est le seul représentant ESA à être autorisé en salle blanche en présence du télescope.

Pour ceux et celles autorisés à entrer, plusieurs mesures ont été prises pour « limiter les risques de contamination ». Il faut savoir que chaque personne du projet susceptible d'être amenée à entrer en salle propre a « reçu une formation sur la contamination ». Une carte d'accès en zone propre est délivrée aux personnes ayant suivi cette formation obligatoire. « Sans ce sésame, pas d'entrée possible. »

Pour entrer dans la salle blanche en présence de James Webb, une tenue intégrale est impérative comprenant une « cagoule et combinaison étanche, des sur-bottes et des gants scellés à la combinaison. Seuls quelques centimètres carrés de peau autour des yeuxyeux sont apparents, et encore, ils peuvent « être masqués par le port de lunettes de protection pour des opérations sensibles ». À cela s'ajoute que tous les « objets introduits en zone propre, quels qu'ils soient, sont inspectés et nettoyés par l'équipe de contamination dans différentes stations de nettoyage installées à cet effet ». Avec toutes ces restrictions d'accès, de tenues vestimentaires et de nettoyage, « la contamination est améliorée d'un facteur supérieur à 10 ». Résultat, à proximité du télescope, « l'environnement passe de l'ISOISO-7 à largement en dessous de l'ISO-6 ». Une jolie performance, tient à nous préciser Olivier Schmeitzky, le Monsieur Propreté à l'ESA.

Inspection de la coiffe du lanceur Ariane 5 à la lumière bleue pour s'assurer de sa propreté. © Olivier Schmeitzky, ESA-Cnes-Arinaespace 

Une salle blanche dans la salle blanche !

Le Bâtiment S5 n'est pas le seul concerné par ces précautions. Le bâtiment d'assemblage finalbâtiment d'assemblage final, plus communément appelé le BAF, a également été préparé pour que l'installation de James Webb, à bord d'Ariane 5, « soit réalisée dans des conditions de propreté maximale », avant la fermeture de la coiffe. Parmi les équipements installés, on signalera une sorte de « douche à air conçue comme une deuxième peau de protection », ce qui peut s'apparenter à une « sorte de salle banchebanche dans la salle blanche » ! Cette douche à air d'environ 10 mètres de diamètre par 20 mètres de haut est ventilée avec de « l'air ultra filtré ». Des filtres à charboncharbon actif ont également été rajoutés dans le BAF pour « bloquer toute source éventuelle de contamination moléculaire ».

Enfin, la coiffe Ariane-5, qui enveloppera le télescope, est également un « élément très critique pour la contamination car les fortes vibrationsvibrations engendrées au décollage vont fortement secouer la structure et libérer les éventuels débris et poussières qui pourraient s'y loger ». Pour réduire cet impact, la coiffe a subi « deux nettoyages extrêmement poussés afin de la débarrasser de toute poussière visible en lumières blanche et noire sous inspection à moins de 30 cm de distance afin de garantir le critère le plus sévère de VCHS+UVUV (Visibly Clean Higly Sensitive + Ultra Violet) ».

Un premier nettoyage a été réalisé sur les deux demi-coiffes en août 2021 par le fabricant suisse Ruag et inspecté par les experts Contamination ESA (O.Schmeitzky) et Nasa avant les envois à Kourou, un second nettoyage après assemblage de la coiffe a été réalisé par l'équipe Ruag renforcée et supervisée par la Nasa et l'ESA en novembre dernier.

Il faut « s'imaginer que le volumevolume de la coiffe A5A5 est à peu près identique à celui de la cabine d'un Airbus A320 ». Traquer les poussières « d'une taille d'un dixième de millimètre dans une coiffe de 17 mètres de long et 5,4 mètres de diamètre, c'est un peu comme chercher une aiguille dans une botte de foin ». C'est pourtant cet « exploit qui a été réalisé par les équipes Contamination présentes au CSG ».

La coiffe du lanceur Ariane 5 qui sera aussi décontaminée pour garantir un niveau de propreté très élevé pour éviter tour risque de contamination du James Webb lors du décollage du lanceur. © Olivier Schmeitzky, ESA-Cnes-Arinaespace

Des instruments et des mesures drastiques prises pour la propreté de James Webb

Quel que soit le satellite préparé à son lancement, « afin de s'assurer que la contamination est maîtrisée, une batterie d'instruments est utilisée quasi quotidiennement ». Mais, souligne Olivier Schmeitzky, les « mesures prises et mises en place pour la campagne de lancement de James Webb sont sans commune mesure par rapport à une campagne de lancement "classique" ». Le Monsieur Propreté à l'ESA nous les détaille, ce qui nous permet de prendre conscience de l'ampleur des mesures prises pour s'assurer que James Webb s'envolera dans un état de propreté inédit pour un satellite, ou du moins sans équivalent par rapport aux derniers télescopes de l'ESA, comme Herschel et Plank, ou comme les cinq ATV et tous les autres MetOpMetOp B et C qu'Olivier Schmeitzky a déjà inspectés.

Pour une campagne de lancement classique, les capteurs d'environnement fournissent les résultats suivants :

• Capteur de sur-pressionpression garantissant une pression positive à l'intérieur des salles blanches ;
• Mesure de la température et de l'humidité relative des salles blanches ;
• Compteurs de particules assurant un environnement ISO-8 (un maximum de 3.500 particules > 0,5 micronmicron par litre d'air) ;
• Dépôt de poussière < 1.925 ppmppm (partie par million) par semaine ;
• Dépôt organique < 50 ng (nanogramme) par semaine.

Pour la campagne de lancement JWST, grâce aux efforts spécifiques apportés, les compteurs de particules dans les salles blanches indiquent des valeurs de moins de 100 particules >0,5 micron par litre d'air, et généralement inférieures à 10 particules dans l'enceinte immédiate du télescope (entre les murs de filtres additionnels Hepa).

• Les instruments du télescope sont purgés en permanence (même pendant le transport) pour éviter toute pollution. Un chromatographe en phase gazeuse a été apporté au CSG afin de s'assurer que le gazgaz et ligne de purge soit parfaitement propre.
• Des capteurs de contamination particulaires spécifiques ont été installés aux endroits sensibles afin de mesurer le dépôt de poussière et de débris. Ces capteurs sont analysés par un microscopemicroscope automatique équipé d'un logiciellogiciel de reconnaissance et classification par taille. Les capteurs servent non seulement à garantir une extrême propreté dans l'environnement du satellite, mais également à traquer les sources de contamination éventuelles en salle blanche (portesportes d'accès, structure générant des micro-débris...). Des mesures de protection sont ainsi implémentées (feuilles plastiqueplastique de protection, nettoyage spécifique, restriction d'accès...). Des capteurs additionnels PFO (Particle Fall Out) ont été placés sous la coiffe Ariane-5 ainsi qu'en salle blanche et mesurés par photométrie.
• Concernant la contamination moléculaire, des capteurs apportés par l'ESA et ont été installés spécifiquement. Il s'agit de cristaux en fluorure de calciumfluorure de calcium (CaF₂) qui ont la particularité de présenter une bonne transparencetransparence aux rayons infrarouges et de révéler ainsi une éventuelle trace de contamination organique. Ces fenêtresfenêtres communément appelées MOC-IR window (Molecular Organic Contamination Infra-Red window), sont soigneusement nettoyées puis mesurées par un spectromètrespectromètre infrarouge par transformation de Fouriertransformation de Fourier, exposées en salle blanche à proximité de JWST, puis re-analysées régulièrement afin de mesurer une éventuelle perte de transmission si une contamination organique est engendrée. Un ellipsomètre a également été apporté spécifiquement au CSG afin de mesurer un éventuel dépôt de couche mince sur les capteurs passifs (plaquettesplaquettes de siliciumsilicium).
• Un analyseur portable de composés organiques volatilscomposés organiques volatils est utilisé pour s'assurer que l'air ambiant ne contient pas de contamination organique. Sa sensibilité est au niveau du ppb (partie par billion).
• Une fois les réservoirs de carburant remplis d'ergolergol hautement explosifs (168 kgkg hydrazinehydrazine, 133 kg de peroxyde d'azoteazote), les règles de sécurité nous imposent des instruments certifiés anti-explosifs répondant à la norme Atex. Pour cela, les téléphones portables, lampes d'inspection (blanche et lumière noire) doivent comporter le logo certifié Atex.

En conclusion, tout cela n'aurait évidemment « pas été possible sans une parfaite coopération internationale entre la Nasa, l'ESA, Arianespace et le Cnes, la société Ruag qui produit la coiffe mais également toutes les entreprises sous-traitantes d'Arianegroup qui ont fourni un effort considérable pour toutes les opérations de nettoyage et d'analyse des capteurs de contamination », conclut Olivier Schmeitzky, le Monsieur Propreté à l'Agence spatiale européenne.