Refroidir la Raspberry Pi HQ : que gagne-t-on vraiment ?

1. Avec le bouchon, ce n’est pas tout à fait le silence

Une caméra chauffe quand elle travaille : son électronique consomme de l’énergie, dont une partie finit en chaleur. En plein jour, ce n’est pas forcément le premier souci. Mais en astronomie, je peux laisser la caméra accumuler une lumière très faible pendant plusieurs minutes. Quand on cherche un murmure, le bruit de fond devient important.

Schéma pédagogique

Même avec le bouchon sur l’objectif, le capteur produit encore un peu de signal et de bruit. Lire les pixels ajoute de petites fluctuations : c’est le bruit de lecture. Certains pixels se distinguent davantage de leurs voisins. Et la chaleur peut faire apparaître lentement de la charge, même sans lumière.

Cette dernière contribution porte un nom : le courant d’obscurité. Dans le premier article, je n’avais pas réussi à mesurer proprement celui d’un pixel ordinaire. D’où cette idée : refroidir davantage la caméra. Allait-elle enfin devenir plus facile à observer dans le noir ?

2. Au début, deux petits ventilateurs

J’avais commencé par empêcher la caméra de trop chauffer. Deux ventilateurs d’appoint soufflaient vers l’arrière de son circuit imprimé. Pas de dispositif frigorifique actif : seulement de l’air en mouvement pour évacuer une partie de la chaleur.

Photo du montage

Dans une pièce autour de 23 à 24 °C, la caméra restait entre 25 et 27 °C pendant les longues acquisitions. C’était déjà utile pour limiter sa chauffe. Mais un ventilateur n’est pas un réfrigérateur : il fallait essayer autre chose pour descendre bien plus bas.

3. Un refroidisseur de smartphone à 11 €

Plutôt que de partir immédiatement sur un système de laboratoire, j’ai regardé ce que j’avais sous la main. Un petit refroidisseur de téléphone, acheté 11,19 € en juillet 2023, attendait son nouvel emploi. Un ventilateur, deux puissances et un petit module carré : assez pour tenter l’expérience, pas pour en faire une recommandation d’achat.

Schéma pédagogique

Le principe est moins mystérieux qu’il n’y paraît : le module ne fabrique pas du froid, il déplace de la chaleur. Une face se refroidit pendant que l’autre chauffe. C’est l’effet Peltier. Le ventilateur aide à évacuer cette chaleur de l’autre côté, ainsi que celle produite par le dispositif lui-même.

Reste une question très concrète : la surface prévue pour un téléphone ne peut pas simplement se coller n’importe où sur la caméra.

4. Ouvrir, nettoyer, rapprocher

J’ai retiré la surface de contact d’origine pour accéder au module, puis nettoyé la pâte thermique. Le petit carré porte le marquage FZ-2302. Je n’ai pas identifié avec certitude ses caractéristiques électriques : je ne vais pas lui inventer une fiche technique. Ici, je regarde ce que fait réellement le montage.

Le pad est une interface souple qui sert de pont pour la chaleur. Il se place contre le circuit imprimé (PCB, Printed Circuit Board), pas contre le silicium du capteur. La chaleur traverse le circuit et la structure de la caméra avant d’atteindre le refroidisseur.

1. Caméra
2. PCB
3. Pad
4. Peltier

Le module

Environ 25 mm de côté

Le réglage

Puissance maximale

Le thermostat

Aucun

Et côté consommation ?

La mesure se fait avant le bloc d’alimentation, côté secteur. Le détail du wattmètre et de ses limites reste dans la version scientifique. Maintenant que le contact est établi, place au test.

5. Est-ce que le bricolage fonctionne ? Oui.

Au réglage maximum, les températures enregistrées pendant les poses longues passent d’environ 26 °C à 0 à 1 °C. Ce n’est plus simplement empêcher la chauffe : la caméra descend nettement sous la température de la première expérience.

Le système n’a pas de thermostat. Il tourne à fond, et la température obtenue dépend du module, du contact et de l’environnement. Proche de zéro ne veut donc pas dire réglé exactement à zéro. L’ambiance de la campagne froide n’a pas été documentée.

J’ai repris les mêmes durées d’exposition et le même nombre d’images dans le noir, jusqu’à 300 secondes, avec des pauses entre les séries.

6. Alors, l’image est-elle plus propre ?

Le chiffre du thermomètre est encourageant. Pour les images, la réponse demande de distinguer plusieurs choses : refroidir ne fait pas disparaître toutes les imperfections d’un coup.

• TempératureTrès forte baisse≈26 °C → 0–1 °C.
• Pixels anormalement lumineuxMoins nombreux dans l’analyseMais la limite de détection s’adapte.
• Fond de l’imageToujours structuréCertaines variations sont moins marquées.
• Signal produit par la chaleurToujours trop difficile à mesurerJe ne peux pas encore lui donner une valeur fiable.

Certains pixels produisent beaucoup plus de signal dans le noir que leurs voisins. On les appelle pixels chauds : les quelques cases lumineuses du premier schéma illustrent cette idée, sans reproduire les pixels de la caméra.

Les autres caractéristiques mesurées du capteur restent globalement proches entre les deux campagnes. Ces deux essais ne suffisent pas pour attribuer leurs petites différences au froid. Et je n’ai pas comparé ici deux photos astronomiques pour démontrer un gain de qualité final : ce sont les images prises dans le noir qui parlent.

7. Tout ne disparaît pas

Même dans le noir, le fond n’est pas parfaitement uniforme. Pour le voir, je rassemble les images de 300 secondes et j’en montre les variations lentes. Le contraste est volontairement fortement amplifié : ce qui semble une grande tache correspond à des différences minuscules.

Données expérimentales · même contraste

Ventilation · ~26 °CPeltier · 0–1 °C

Carte chaude en grand · Carte froide en grand · Voir les mesures détaillées

À froid, plusieurs variations mesurées sont un peu moins marquées, mais les motifs n’ont pas disparu. C’est intéressant, mais deux essais ne suffisent pas pour affirmer que le froid est la seule cause. Pour le vérifier, il faudrait répéter plusieurs fois l’expérience chaud/froid en gardant les mêmes règles d’analyse.

8. Le signal qui échappe encore à la mesure

Je pensais qu’en refroidissant fortement la caméra, j’allais enfin mieux distinguer la charge produite dans le noir. La surprise, c’est que la question reste ouverte : sa petite contribution se mêle aux minuscules variations électroniques du système. Certaines déplacent même le fond de nombreux pixels ensemble.

Voilà le problème : mesurer quelque chose de petit demande parfois une meilleure méthode, pas seulement un meilleur refroidissement. Si le froid réduit la contribution thermique, celle-ci peut devenir encore plus difficile à distinguer. Mais ces deux campagnes ne mesurent pas combien elle aurait diminué.

Le niveau de fond bouge légèrement au cours des longues poses, parfois vers le bas. Ces petits déplacements brouillent le signal minuscule que j’essaie de mesurer. Je ne peux donc toujours pas donner honnêtement une valeur fiable au courant d’obscurité d’un pixel ordinaire, ni à chaud ni à froid. Non mesuré ne veut pas dire nul. La version scientifique détaille cette limite.

Le bricolage fonctionne : avec un refroidisseur de smartphone au maximum, la caméra approche zéro degré, sans thermostat et pour environ 9 W supplémentaires à la prise. Certains comportements indésirables sont moins marqués dans cette campagne, mais le capteur n’est pas devenu parfait. Le plus intéressant est peut-être maintenant d’apprendre à mieux mesurer ce qui reste.

Comment mesurer un courant d’obscurité presque invisible ? C’est la question du prochain article.