Anomalie magnetique Terre

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Explorer l’environnement de notre Terre
Proposition d’expérience de :
-Stéphane BASA, chercheur au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille
-José BUSTO, chercheur au Centre de Physique des Particules de Marseille
La Terre, un environnement pas vraiment paisible !
La Terre est naturellement protégée des particules nocives produites par le Soleil grâce à l’action de son champ magnétique. Ce champ agit comme un écran et protège la surface terrestre des excès du vent solaire qui serait, dans le cas contraire, destructeur pour la vie.
L’interaction du champ magnétique terrestre avec le vent solaire forme une structure assez complexe. La plus proche de ces structures est située à moins de quelques milliers de kilomètres de la surface terrestre et s’appelle la ceinture de radiations de Van Allen (du nom de son découvreur). Cette ceinture est une zone annulaire placée dans le plan de l'équateur magnétique dans laquelle des particules électrisées, protons et électrons provenant du Soleil, se retrouvent piégées par le champ magnétique terrestre (figure 1). Elle est également connectée aux pôles de la Terre formant alors un véritable entonnoir. La rencontre des particules entrant par les pôles avec les molécules de la haute atmosphère terrestre est justement à l'origine des aurores boréales.
La densité des particules dans la ceinture de Van Allen est telle qu’une exposition, même de courte durée, aux parties les plus intenses de ces ceintures de radiations est fatale à un être humain. La protection des astronautes par un blindage adéquat et la sélection de trajectoires minimisant l'exposition sont dès lors nécessaires. Toutefois, seuls les astronautes d'Apollo, qui se sont rendus en orbite lunaire, ont traversé la ceinture de Van Allen (leur exposition à la radiation avait été alors calculée et ils n'ont pas passé plus d'une heure dans la partie la plus dommageable).
Figure 1: Représentation simplifiée de la ceinture de Van Allen. Elle est alignée sur l’axe magnétique de la Terre.
Figure 2: cartographie de l'Anomalie Magnétique de l’Atlantique Sud, essentiellement située au-dessus du Brésil.

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La partie basse de la ceinture, située à une altitude moyenne d’environ 700 km, possède une excroissance localisée au-dessus du Brésil. Cette caractéristique, appelée Anomalie Magnétique de l'Atlantique Sud, descend jusqu’à environ 450 km d’altitude (figure 2). Elle perturbe les satellites et autres engins spatiaux orbitant à quelques centaines de kilomètres d'altitude. Ces satellites s'exposent en effet pendant plusieurs minutes à de très forts niveaux de radiations, et bien souvent leur fonctionnement est altéré. La Station Spatiale Internationale a reçu un revêtement particulier pour supporter ces radiations, et le télescope spatial Hubble ne réalise aucune observation lorsqu'il passe au- dessus de cette région, ses instruments sont tout simplement éteints.
Cette anomalie a également des répercussions dans la vie quotidienne au Brésil. Des courants géomagnétiques induits peuvent être produits, au travers d'infrastructures métalliques de grande taille comme les chemins de fer, les lignes électriques de haute puissance, le réseau de distribution d'eau ou d'autres grandes structures mécaniques. En cas de tempête géomagnétique de grande ampleur, ces courants peuvent même endommager ces infrastructures.
La charge utile scientifique
Dans le cadre de cet appel à idée pour une Charge Utile sur un Nano-Satellite, nous nous fixons deux objectifs :
-l’étude du flux de particules à basse altitude, pour permettre notamment une cartographie précise de l’Anomalie Magnétique de l'Atlantique Sud ;
-le contrôle de comportement du satellite, en fournissant des images de la Terre depuis l’espace.
La charge utile scientifique devra donc être composée de deux éléments : un capteur de particules et une petite caméra.
-Le capteur de particules est basé sur un simple compteur Geiger qui est sensible aux rayons ionisants (électrons et protons). Il mesurera régulièrement le long de son orbite le flux de particules et renverra les mesures via une petite antenne radio. Le choix de ce compteur Geiger optimal en termes de performances, coût, puissance, volume et masse est laissé libre aux étudiants.
-La caméra devra à la fois avoir un temps de pose réglable en fonction de la luminosité des objets visés et être choisie de manière optimale également en termes de performances, coût, puissance, volume et masse. Il est d’autre part laissé libre aux étudiants d’évaluer et de proposer un mode de transmission des images vers la terre, le moins coûteux possible en énergie et en perte de résolution.
L’implantation de la charge utile sur le nano-satellite
Le projet est basé sur un satellite cubique de dix centimètres de côté, pesant un kilogramme et ne dépassant pas 1W de consommation nominale. A l’intérieur de ce cadre prédéfini, il faudra implanter la charge utile scientifique, remplissant les fonctions décrites précédemment, et les différents composants techniques permettant le bon fonctionnement du satellite. Ces équipements sont les suivants :

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Un ordinateur de bord
Il assurera la gestion des données des instruments et leur transfert vers les stations au sol.
Une horloge interne
Des quartz spécialement sélectionnés formeront l’horloge interne du satellite, ceci afin de dater les observations.
Un système de contrôle du comportement du satellite
Plusieurs principes, basés sur le magnétisme, l’inertie, etc..., sont mis en oeuvre sur les satellites de grandes dimensions pour connaitre leur position et les stabiliser. Ils seront à évaluer et à proposer pour stabiliser le satellite sur son orbite.
Un système de communication bidirectionnel pour l’espace
Des antennes radio du type VHF (Very High Frequency) seront installées sur le satellite, ce qui peut nécessiter un petit mécanisme pour les déployer. Il conviendra de concevoir également la ou les stations sol pour communiquer avec le satellite. L’économie d’énergie sera à prévoir à bord du satellite ainsi que la télémétrie envisageable (liaison bord-sol, débit...).
Des moyens d’alimentation et une centrale d’énergie
La puissance nominale étant seulement de l’ordre de 1 W, il sera très important de gérer correctement la gestion de l’énergie (mise en veille, fonctionnement des appareils en alternance...).
L’ensemble ainsi constitué devra naturellement opérer sous les mêmes conditions environnementales que les gros satellites : vide interstellaire, radiations, chocs thermiques répétés, vibrations extrêmes lors du lancement.
L’orbite du Nano-Satellite
Une orbite basse d’une période relativement courte, héliosynchrone et permettant une cartographie de l’anomalie, serait idéale pour ce projet. Très courante, une telle orbite devrait permettre d’envisager facilement un vol en passager.
Une qualification préalable
Il est indispensable de qualifier le nano-satellite avant son lancement. Des tests environnementaux (cyclage et vide thermique, vibrations...) seront envisageables. Il en est de même pour un vol préalable en ballon stratosphérique qui permettrait de tester grandeur nature une grande partie du système composant le satellite et sa charge utile. Les différents moyens de qualification seront étudiés et évalués pour les choisir et les retenir de manière optimale en termes de coût et d’efficacité.

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L’intérêt pour les laboratoires et les étudiants
Ce projet est proposé conjointement par des chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) et du Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM). Chacun de ses laboratoires apporte ainsi son expertise dans son domaine de prédilection, l’ingénierie spatiale et l’observation optique pour le LAM, la détection des particules pour le CPPM.
Ce NanoSat permettra une mesure scientifique intéressante (étude du flux de particules à basse altitude, fournissant ainsi une cartographie précise de l’Anomalie Magnétique de l'Atlantique Sud et des cornets polaires), tout en permettant l’acquisition des techniques de base dans le domaine de l’ingénierie spatiale (gestion des communications entre le satellite et le sol, stabilisation du satellite sur son orbite, gestion de l’énergie, …). L’aspect ludique n’est naturellement pas oublié grâce à l’adjonction d’une petite caméra, qui offrira des vues de la Terre depuis l’espace, tout en contribuant au contrôle du comportement du satellite.
La réalisation de ce NanoSat permettra également aux étudiants d’aborder des domaines très variés en ingénierie (optique, mécanique, électronique, informatique, thermique, …), touchant des domaines propres aux techniques spatiales et à la physique des particules, tout en apprenant les rudiments pour mener à bien un projet techniquement exigeant (suivi d’un projet, tenue des échéances, gestion des risques, …). L’analyse scientifique des résultats pourra être également menée par les étudiants, ce qui permettra de se familiariser avec les techniques de base (calcul d’efficacités, simulations, visualisation des résultats, …).