K2 : Projet nanosatellite étudiant IGOsat UnivEarthS

The only source of knowlege is experience, Albert Einstein

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Lorsque l’on parle de satellite, les premières images qui nous viennent à l’esprit sont celles du téléscope spatial Hubble, de Sputnik, ou encore de la station spatiale internationale (ISS). On est alors bien loin d’imaginer que des satellites aux dimensions bien plus modestes sont aujourd’hui développés, que nombre d’entre eux sont déjà en orbite et ont remplis leurs objectifs avec succès.

 

Un petit satellite, c'est mignon, mais ça sert à quoi ?

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Dès 1999, les universités de Caltech et Stanford, aux États-Unis, ont conçu et développé les modèles et les standards de satellite « Cubesat ». Un Cubesat est ainsi un satellite « miniaturisé » : un cube de 10 centimètres de côté pour une masse d’environ un kilogramme. Derrière la conception d’un tel modèle de satellite, ces universités recherchaient notamment à mettre en œuvre un outil permettant à un plus grand nombre d’institutions publiques et privées, de par le monde, d’accéder au domaine des technologies et de l’exploration spatiale.

 

De tels nano-satellites furent lancés dès 2003, et si parmi ces premiers projets, un certain nombre d’entre eux visaient à tester lle caractère réalisable d’une telle entreprise, rapidement un grand nombre de projets ont visé plus loin et ont cherché à atteindre des objectifs à valeur scientifique. Ainsi le projet AAUSAT-II de l’université d’Aalborg, lancé en 2008, a pu effectuer des expériences de mécanique spatiale ainsi qu’employer un détecteur de sursauts gamma; le projet SwissCube de l’EPFL, lancé en 2009, a réalisé avec succès des mesures sur la lumière du ciel nocturne, ou encore le projet PharmaSat, issu de la collaboration de l’institut de recherche spatial Ames de la NASA et de l’université de Santa Clara, a pu effectuer des expériences de biologie en microgravité. Et les exemples de ce type abondent aujourd'hui...

Aujourd’hui, à travers le monde, de l'Équateur au Japon en passant la Hongrie, l’Inde, le Vietnam, des universités et des instituts de recherche spatiale conçoivent des outils qui constituent une nouvelle étape de l'aventure spatiale.

Aussi, au sein du Campus Spatial Paris-Diderot, dans le cadre du Laboratoire d’Excellence (LabEx) UnivEarthS, les laboratoires AIM, APC et IPGP se sont associés pour lancer ce projet de nano-satellite, qui sera entièrement conçu et développé par des étudiants.

 

Ah ok ! J'ai du scotch et un couteau suisse, je peux faire mon satellite ?

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Un satellite doit être conçu comme un système autonome, fiable, robuste, soumis aux contraintes sévères de l'environnement spatial et du lancement. Il s'agit en conséquence d'un assemblage complexe de sous-parties interdépendantes.

 

Ainsi, quelque soit sa mission, un satellite emporte nécessairement les équipements suivants:

• une architecture électrique complète et autonome, de la production électrique par les panneaux solaire à la distribution de puissance aux sous-systèmes, en passant par la gestion des batteries

• un système de télécommunication radio-fréquence parfaitement fiable durant toute la vie du satellite, permettant de transmettre des données et recevoir des commandes avec la ou les stations sol de contrôle.

• des capteurs et actuateurs de contrôle d'attitude, permettant de mesurer et commander l'orientation du satellite dans l'espace

• un ordinateur de bord dont le rôle est de contrôler le fonctionnement des autres sous-systèmes et suffisamment intelligent pour détecter les avaries et prendre les bonnes décisions.

 

D'autre part, un satellite n'a d'intérêt que s'il remplit une mission bien définie, celle-ci étant dévolue à la charge utile. Il existe autant de concept de charge utile que de satellite, que ce soit pour assurer la diffusion d'informations (satellites de télécommunications), l'observation de la Terre (civile ou militaire), un service mondial de localisation (satellites GPS) ou faire progresser la recherche scientifique (des rayons X aux ondes radio, des satellites XMM à Planck, en passant par Hubble).

 

On m'a dit toujours que j'avais la tête dans les étoiles ...

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Le satellite IGOsat de l'Université Paris Diderot embarquera une charge utile scientifique double. Placé sur une orbite polaire héliosynchrone, entre 600 et 700 kilomètres d'altitude, IGOsat améliorera notre connaissance des particules de haute énergies piégées dans les ceintures de radiation, ainsi les mesures de la densité d'électrons dans l'ionosphère (c'est-à-dire dans les couches supérieures ionisées de l'atmosphère, au-dessus de 50 km d'altitude) et la corrélation de ces phénomènes avec l'activité solaire.

 

Plus spécifiquement, le nano-satellite IGOsat emportera à son bord deux charges utiles : d’une part un récepteur GPS et d’autre part un détecteurs de photons et d'électrons. Le récepteur GPS mesurera la différence de phase entre les 2 porteuses à 1,2 et 1,6 GHz. Les particules chargées retardant différemment les signaux en fonction de leur fréquence, cette différence de phase renseigne donc sur la densité électronique cumulée sur la ligne de visée entre un des 31 satellites GPS, situés en orbite circulaire moyenne (dite « MEO »), à environ 20 000 km d'altitude, et le récepteur du nano-satellite, situé en orbite circulaire basse (orbite dite « LEO »), quasi-polaire, à environ 650 km d'altitude.

Les mouvements relatifs de ces 2 satellites provoquent régulièrement l'occultation (vue du récepteur) du signal GPS par la Terre. Au cours de cette occultation, la ligne de visée traverse l'ionosphère, ce qui permet d'y estimer la densité d'électrons libres dans cette région.

 

Pour sa part, le détecteur gamma est constitué de 3 éléments : un scintillateur organique (aussi appelée scintillateur plastique) prenant en sandwich un scintillateur inorganique (de type bromure de lanthane, ou LaBr3), les impulsions lumineuses étant lues par un photomultiplicateur. Lorsqu'une particule (photon gamma ou électron) interagit avec un scintillateur, un flash de fluorescence est émis, dont les caractéristiques renseignent sur l'énergie déposée et la nature de la particule.

 

Ainsi, le scintillateur plastique sera essentiellement sensible aux électrons, tandis que le bromure de lanthane détecte en plus les photons gamma. La combinaison de ces deux données permet donc de calculer sans ambiguïté les densités de populations pour ces deux types de particule. Le photomultiplicateur permet quant à lui de transformer le signal optique en signal électrique et de l'amplifier afin de rendre sa mesure possible.

 

Grâce à ces instruments, un ensemble de données sur la nature et l’énergie des particules interceptées, ainsi que des mesures du contenu en électrons de l’ionosphère pourront être obtenues.

 

Scientifiquement, ces mesures permettront de suivre l'évolution temporelle de ces populations, de quantifier leur corrélation et leurs interactions avec l'activité solaire. Ces mesures in situ compléteront et affineront d'autres études sol et spatiales, menées par d'autres équipes scientifiques depuis plusieurs années.

D'autre part, le faible coût d'une mission nano-satellite permet une plus grande prise de risques techniques et donc de tester des équipements novateurs en environnement spatial.

 

C'est ici le cas pour toute la chaîne de détection du scintillateur, du cristal de LaBr3 à l'électronique d'acquisition (initialement développé pour les accélérateurs de particules) en passant par la détection du signal optique (photodiodes à avalanches). Aucune des ces technologies n'a encore été éprouvée directement sur un satellite et leur qualification spatiale constituera une avancée très significative pour le développement de futurs instruments spatiaux.

 

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