Construction du Giant Magellan Telescope : Une perspective d'ingénierie industrielle

Une révolution dans l'astronomie au sol

Une fois installé à l'observatoire de Las Campanas, dans les Andes chiliennes, le Giant Magellan Telescope (GMT) ouvrira des opportunités sans précédent pour les communautés de recherche en astrophysique et en cosmologie. Sa conception repose sur la combinaison de sept miroirs formant un système optique unique de 25 mètres de diamètre, offrant une résolution angulaire 10 fois supérieure à celle du télescope spatial Hubble. Prévu pour entrer en service en 2029, le GMT représente la nouvelle génération de télescopes géants au sol rendue possible dès les années 1990 grâce aux avancées des technologies de contrôle industriel. Depuis, l'architecture informatique, les langages de programmation modernes, les protocoles industriels temps réel, les standards web et les contrôleurs spécialisés ont profondément transformé la technologie des télescopes.

Ces avancées permettront au GMT de capturer des images d'objets astronomiques plus nettes que jamais, en réduisant les distorsions introduites par l'atmosphère terrestre. Les scientifiques pourront ainsi observer l'univers jusqu'à un milliard d'années après le Big Bang, selon le Dr Patrick McCarthy, ancien vice-président de la GMTO Corporation.

Repenser l'automatisation des télescopes

Avec de telles exigences, le GMT pourrait sembler n'avoir que peu en commun avec les machines de production et l'automatisation d'usine traditionnelles. Historiquement, les équipes de projets télescopiques construisaient leurs propres solutions d'automatisation à base de composants de contrôle sur mesure. Mais l'équipe du GMT voit les choses différemment, explique José Soto, ingénieur électronique senior à la GMTO : « Nous voulons changer la méthode historique qui consiste à traiter les télescopes comme des systèmes à part, totalement différents des autres systèmes automatisés. Les solutions de contrôle industriel tournées vers l'avenir ont le pouvoir de résoudre bon nombre des problèmes auxquels nous sommes confrontés aujourd'hui en astrophysique. »

Depuis le siège de la GMTO à Pasadena (Californie), il faut environ 24 heures de voyage pour atteindre le sommet de Las Campanas. Ce site est optimal pour l'astronomie grâce à son altitude, son historique météorologique favorable, sa pollution lumineuse minimale et son flux d'air laminaire, qui réduit les distorsions d'image dues aux inhomogénéités thermiques et à la turbulence. L'Institution Carnegie pour la Science a acquis environ 155 km² de cette zone montagneuse au milieu des années 1960 ; plusieurs télescopes y ont été construits depuis. Carnegie est devenue l'une des 12 institutions partenaires fondatrices de la GMTO.

Si le trajet vers le sommet est long, le parcours du GMT du concept à la réalisation a aussi exigé de la persévérance. Depuis le lancement du projet au début des années 2000, ingénieurs, scientifiques et administrateurs travaillent à la conception des structures et systèmes du télescope, selon le Dr James Fanson, chef de projet GMTO. Le polissage des miroirs a débuté en 2005 au laboratoire de miroirs Richard F. Caris de l'Université d'Arizona, et les travaux de terrassement sur le pic de Las Campanas ont commencé en 2015, précise Fanson, qui a précédemment dirigé des projets de télescopes et d'astrophysique au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. « Depuis 2015, nous avons construit des bureaux, des infrastructures de chantier, ainsi que des installations d'hébergement, de restauration et de loisirs pour accueillir jusqu'à 200 ouvriers et membres du personnel GMTO », ajoute-t-il.

Des exigences d'automatisation extrêmes

Le choix des composants d'automatisation et de contrôle pour le GMT a nécessité une réflexion approfondie, notamment en raison des besoins de communication et de contrôle temps réel, le système devant gérer plus de 3 000 axes de mouvement. Au-delà de la rotation de l'enceinte du télescope — haute de 22 étages —, les miroirs flexibles doivent être déplacés avec une précision extrême pour mettre en œuvre l'optique adaptative et atteindre la plus haute résolution d'image possible. Un exemple est le système d'optique active, qui requiert l'intégration de 170 actionneurs pneumatiques par miroir primaire pour en soutenir la masse. L'équipe d'ingénierie a identifié le besoin de composants d'automatisation performants dès maintenant, mais capables de supporter les futures avancées technologiques, explique Soto. « Comme ces projets s'étalent sur longtemps, nous devons anticiper l'obsolescence à chaque niveau. La méthode la plus efficace pour lutter contre l'obsolescence est de standardiser sur des technologies industrielles éprouvées. » Ces facteurs ont conduit la GMTO à standardiser de nombreuses spécifications du système de contrôle en utilisant des standards industriels, comme ceux proposés par Beckhoff Automation.

Le choix de l'automatisation PC-based

Les ingénieurs de la GMTO ont commencé à explorer les solutions d'automatisation et de contrôle industriel offertes par Beckhoff pour satisfaire leur volonté d'implémenter des technologies de bus de terrain à un degré supérieur à ce que d'autres télescopes avaient atteint. Ils ont examiné plusieurs réseaux Ethernet industriels, mais ont trouvé qu'EtherCAT offrait une topologie flexible et une évolutivité — avec la capacité d'intégrer jusqu'à 65 535 périphériques EtherCAT sur un même réseau — correspondant aux spécifications du système GMT. « EtherCAT sera intégré dans presque tous les systèmes du télescope GMT — des miroirs primaires au compensateur de dispersion atmosphérique, en passant par l'enceinte, la monture, et même l'automatisation du bâtiment dans les installations », déclare Soto. Selon l'ingénieur GMTO Hector Swett, Safety over EtherCAT (FSoE) offre également des fonctionnalités impressionnantes pour les systèmes d'interverrouillage et de sécurité du télescope. FSoE fournit au GMT une communication certifiée TÜV, de niveau sécurité, sur des réseaux EtherCAT standards, de nombreuses options pour les modules E/S distribués TwinSAFE, et une intégration avec l'environnement d'ingénierie Beckhoff et les PC industriels (IPC).

Certaines spécifications actuelles du GMT recommandent plusieurs contrôleurs PC-based qui pourraient être fournis par des solutions Beckhoff. Le système d'interverrouillage et de sécurité repose sur de nombreux contrôleurs de sécurité, des PC embarqués CX9020 montés sur rail DIN, fonctionnant de concert avec les modules E/S logiques TwinSAFE EL6910. Ceux-ci s'interfacent via FSoE à travers le profil d'automatisation EtherCAT (EAP) pour implémenter les fonctions de sécurité requises par l'analyse des risques, explique Swett. Les PC embarqués Beckhoff CX2020 avec processeurs Intel® Celeron® monocœur 1,4 GHz sont utilisés dans le kit de développement matériel du GMT, construit pour les partenaires du projet afin de développer des instruments pour le télescope. Outre les performances, la robustesse de ces contrôleurs reste cruciale. « Les observatoires situés sur des sommets reculés subissent des conditions difficiles que ces IPC supportent aisément », précise Soto. « De plus, les PC embarqués offrent une grande évolutivité et des formats compacts, ce qui permet d'économiser un espace précieux dans les armoires de commande. »

Le logiciel d'automatisation TwinCAT 3 de Beckhoff a offert une plateforme clé pour tester les périphériques et est spécifié pour le contrôle des structures autour du télescope. « Le contrôleur PC-based pour l'enceinte du télescope exécutera TwinCAT directement », indique Swett. « Il fournit également la capacité temps réel d'interfacer cette application massive avec le système de contrôle de l'observatoire via OPC UA. » Illustrant l'ouverture du système, TwinCAT prend en charge la programmation de la logique de contrôle dans de nombreux langages — dont ceux de la CEI 61131-3 — y compris les extensions orientées objet et les langages informatiques de Microsoft Visual Studio®. Le logiciel peut scanner et configurer automatiquement des périphériques tiers via ADS et EtherCAT, offrant une plateforme optimale pour des tâches allant de la détection au contrôle de mouvement.

Puisque le télescope comptera des milliers d'axes de mouvement, des moteurs et variateurs fiables seront cruciaux dans la configuration finale. Soto trouve les capacités des servomoteurs Beckhoff AM8000 impressionnantes et les voit comme de sérieux prétendants pour de multiples zones du télescope. « Lorsque nos équipes d'intégration commenceront la mise en service du télescope, elles utiliseront très probablement des servomoteurs AM8000, par exemple dans le compensateur de dispersion atmosphérique ou le GIR (Gregorian Instrument Rotator) qui déplacera tous les instruments attachés au foyer Cassegrain », explique Soto.

Technologies et créativité redéfinissent notre univers

Après des décennies de développement, l'objectif final se précise pour la GMTO, et les composants d'automatisation et de contrôle fiables spécifiés pour le télescope apportent de la clarté. EtherCAT a d'abord conduit les ingénieurs de la GMTO vers Beckhoff et reste fondamental dans la conception de l'architecture de contrôle du télescope, explique Soto. « L'utilisation d'EtherCAT comme bus de terrain du GMT permet une communication temps réel jusqu'au niveau E/S. Nous avons atteint des temps de cycle de 2 kHz, ce qui offre une bande passante suffisante pour boucler la commande sur une gamme de sous-systèmes, élargissant considérablement nos capacités de contrôle et de mise en réseau. » Les modules E/S EtherCAT compacts et les PC embarqués font gagner de la place dans les armoires de commande, et comme les contrôleurs PC-based peuvent être situés à distance des E/S, cela réduit la dissipation thermique. « La réduction de la chaleur est un enjeu majeur pour le GMT », ajoute Swett. « La chaleur rend l'air plus turbulent à l'intérieur de l'enceinte, et la turbulence distord les images au passage de la lumière. Cette architecture d'E/S distribuée nous aide à l'éviter. »

L'assistance et les conseils de Beckhoff — combinés à des tests rigoureux et à la détermination de trouver les bonnes solutions — ont rendu possible l'implémentation de composants d'automatisation et de contrôle industriels. Hormis sa taille et sa complexité, le GMT a une différence majeure avec d'autres machines utilisant des composants standards du commerce, souligne Soto : « C'est un projet unique. Ce n'est pas l'une des nombreuses machines sortant d'une chaîne de production. Le défi principal est donc de parfaire la conception et de sélectionner les bons produits du premier coup. »