Des chercheurs de l’Université d’Oxford ont mis au point un capteur en fibre de saphir capable de tolérer des températures extrêmes. Ce capteur pourrait permettre d’améliorer considérablement l’efficacité et la réduction des émissions dans l’aérospatiale et la production d’énergie.
Les travaux, publiés dans la revue Optics Express, utilisent une fibre optique en saphir – un fil de saphir fabriqué industriellement de moins d’un demi-millimètre d’épaisseur – qui peut résister à des températures supérieures à 2000°C.
Lorsque la lumière est injectée à l’une des extrémités de la fibre de saphir, une partie est renvoyée par un point de la fibre qui a été modifié pour être sensible à la température (appelé réseau de Bragg). La longueur d’onde (couleur) de cette lumière réfléchie est une mesure de la température à ce point.
Cette recherche résout un problème vieux de 20 ans avec les capteurs existants : si la fibre de saphir semble très fine, elle est énorme par rapport à la longueur d’onde de la lumière. Cela signifie que la lumière peut emprunter de nombreux chemins différents le long de la fibre de saphir, ce qui entraîne la réflexion simultanée de nombreuses longueurs d’onde différentes. Les chercheurs ont surmonté ce problème en écrivant un canal sur toute la longueur de la fibre, de sorte que la lumière soit contenue dans une minuscule section transversale, d’un centième de millimètre de diamètre.
Grâce à cette approche, ils ont pu fabriquer un capteur reflétant principalement une seule longueur d’onde de la lumière.
La démonstration initiale a porté sur une petite longueur de fibre de saphir de 1 cm, mais les chercheurs prévoient qu’il sera possible d’atteindre des longueurs de plusieurs mètres, avec un certain nombre de capteurs distincts sur cette longueur. Cela permettrait de mesurer la température tout au long d’un moteur à réaction, par exemple. L’utilisation de ces données pour adapter les conditions du moteur en vol pourrait permettre de réduire considérablement les émissions d’oxyde d’azote et d’améliorer l’efficacité globale, réduisant ainsi l’impact environnemental. La résistance du saphir aux rayonnements offre également des applications dans les secteurs de l’espace et de l’énergie de fusion.
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Le Dr Mohan Wang, membre de l’équipe de recherche du département des sciences de l’ingénieur de l’université d’Oxford, a précisé : « Les capteurs sont fabriqués à l’aide d’un laser de haute puissance avec des impulsions extrêmement courtes et un obstacle important a été d’empêcher le saphir de se fissurer au cours de ce processus.«
Ces travaux s’inscrivent dans le cadre d’une bourse EPSRC de 1,2 million de livres sterling accordée au Dr Julian Fells du département des sciences de l’ingénieur de l’université d’Oxford et ont été réalisés en partenariat avec Rolls-Royce, l’Autorité britannique de l’énergie atomique (Remote Applications in Challenging Environments – RACE), l’université de Cranfield, Halliburton et MDA Space and Robotics.
Mark Jefferies, chef de la liaison avec la recherche universitaire chez Rolls-Royce plc, a déclaré : « C’est une nouvelle passionnante et une autre réalisation scientifique importante résultant de notre partenariat de longue date avec l’Université d’Oxford. Cette recherche fondamentale pourrait à terme permettre une mesure de la température multipoint plus efficace et plus précise dans des environnements difficiles, améliorant ainsi le contrôle, l’efficacité et la sécurité. Nous sommes impatients de collaborer avec l’Université d’Oxford pour explorer son potentiel« .
Rob Skilton, chef de la recherche à RACE, Autorité britannique de l’énergie atomique, a ajouté : « Ces fibres optiques en saphir auront de nombreuses applications potentielles différentes dans les environnements extrêmes d’une centrale à énergie de fusion. Cette technologie a le potentiel d’augmenter de manière significative les capacités des futurs systèmes de capteurs et de maintenance robotique dans ce secteur, aidant ainsi l’UKAEA dans sa mission de fournir au réseau une énergie de fusion sûre, durable et à faible teneur en carbone« .
Le Dr Fells, qui dirige la recherche, a conclu : « Nous sommes très reconnaissants au UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) de soutenir ce travail et aux évaluateurs qui ont vu le potentiel du travail stimulant que nous avons proposé. Nous travaillons maintenant avec nos partenaires pour poursuivre le développement de la technologie jusqu’à ce qu’elle puisse être intégrée dans une infrastructure appropriée.«
