Derrière chaque prévision météorologique - de votre local, prédiction de cinq jours à une mise à jour de dernière minute de la trajectoire d'un ouragan - sont les satellites qui les rendent possibles. Les agences gouvernementales dépendent des observations des satellites météorologiques pour éclairer les modèles de prévision qui nous aident à nous préparer à l'approche des tempêtes et à identifier les zones qui doivent être évacuées ou les premiers intervenants d'urgence.

Les satellites météorologiques sont traditionnellement gros, à la fois dans l'effort nécessaire pour les construire et en taille réelle. Ils peuvent prendre plusieurs années à construire et peuvent être aussi gros qu'un petit autobus scolaire. Mais tout cela pourrait changer à l'avenir avec l'aide d'un satellite de la taille d'une boîte à chaussures qui commencera à orbiter autour de la Terre plus tard ce mois-ci.

Le CubeSat financé par la NASA, appelé Microwave Radiometer Technology Acceleration (MiRaTA), sera lancé sur l'orbite terrestre depuis la fusée transportant le prochain grand satellite météorologique américain (le JPSS-1) de la NOAA dans l'espace. MiRaTA est conçu pour démontrer qu'un petit satellite peut transporter une technologie d'instrument capable de réduire le coût et la taille des futurs satellites météorologiques et a le potentiel de collecter régulièrement des données météorologiques fiables.

Les radiomètres à micro-ondes sont l'un des instruments de pointe à bord des satellites météorologiques d'aujourd'hui. Ces instruments sensibles mesurent des signaux radiofréquence liés au rayonnement thermique émis par les gaz atmosphériques, tels que l'oxygène moléculaire et la vapeur d'eau, et détecter également des particules telles que la glace nuageuse. Ces données sont des entrées clés pour les modèles qui suivent les tempêtes et autres événements météorologiques. L'étalonnage de ces radiomètres est important pour les empêcher de dériver afin que leurs données puissent être utilisées pour des modèles météorologiques et climatiques précis. Par conséquent, une cible d'étalonnage est généralement incluse dans le satellite pour aider le radiomètre à maintenir sa précision.

Miniaturiser les instruments radiométriques à micro-ondes pour les adapter à un CubeSat pose le défi de trouver un instrument d'étalonnage qui soit non seulement précis mais aussi compact, dit Kerri Cahoy, chercheur principal pour MiRaTA et professeur agrégé au Département d'aéronautique et d'astronautique du Massachusetts Institute of Technology. "Vous n'avez pas de place pour les cibles d'étalonnage encombrantes que vous utiliseriez normalement sur des satellites plus gros, " a déclaré Cahoy. " Les cibles d'étalonnage des radiomètres à micro-ondes sur les plus gros satellites peuvent être de la taille d'un grille-pain, mais pour les CubeSats, il devrait avoir la taille d'un jeu de cartes."

Cahoy et son collègue William Blackwell, le fil conducteur de l'instrument du radiomètre à micro-ondes au MIT Lincoln Laboratory, ont trouvé une solution basée sur une technique qu'elle a étudiée à l'école supérieure appelée radio-occultation (RO), grâce à quoi les signaux radio reçus des satellites GPS sur une orbite plus élevée sont utilisés pour mesurer la température du même volume d'atmosphère que le radiomètre visualise. La mesure de température GPS-RO peut alors être utilisée pour calibrer le radiomètre.

"En cours de physique, vous apprenez qu'un crayon immergé dans l'eau a l'air d'être cassé en deux parce que la lumière se plie différemment dans l'eau que dans l'air, " a déclaré Cahoy. " Les ondes radio sont comme la lumière en ce sens qu'elles se réfractent lorsqu'elles traversent des densités d'air changeantes, et nous pouvons utiliser l'amplitude de la réfraction pour calculer la température de l'atmosphère environnante avec une précision presque parfaite et l'utiliser pour étalonner un radiomètre."

En 2012, le programme In-Space Validation of Earth Science Technologies (InVEST) de la NASA a lancé une demande de propositions de démonstration technologique, qui a incité Blackwell et Cahoy, qui enseignait alors au MIT, ont mis leur théorie à l'épreuve en proposant un projet aux étudiants de Cahoy dans sa classe de capteurs et d'instrumentation pour déterminer si l'idée était réalisable. Lorsque deux étudiants ont démontré par modélisation informatique que l'occultation radio pouvait effectivement fonctionner pour l'étalonnage des radiomètres, Cahoy et Blackwell ont demandé à Rebecca Bishop de The Aerospace Corporation, qui a développé des récepteurs GPS-RO pour CubeSats, pour rejoindre l'équipe. Ils ont ensuite soumis une proposition complète pour MiRaTA à la NASA, qui a donné son feu vert au financement au printemps 2013.

La création de MiRaTA a été un travail d'équipe. Bishop a modifié un produit standard, récepteur GPS à faible coût pour effectuer les mesures d'occultation radio pour l'étalonnage ; Le laboratoire MIT Lincoln et l'Université du Massachusetts Amherst ont appliqué leurs compétences en ingénierie pour miniaturiser davantage le radiomètre à micro-ondes; et Cahoy et son équipe d'étudiants, guidé par des mentors experts du MIT Lincoln, construit le satellite qui abriterait tout.

"Construire un CubeSat peut être difficile car il faut mettre des piles, Une radio, un ordinateur, vos instruments, roues que vous faites tourner pour faire basculer et faire tourner votre satellite, et plié des panneaux solaires et des antennes dans un très petit espace, " dit Cahoy. " Et vous utilisez l'équivalent spatial du scotch et de la super colle pour contraindre ce fouillis de fils et de connecteurs et le faire entrer dans son logement.

"Mais, " Cahoy a ajouté, « le travail acharné sera vraiment récompensé par de bonnes données scientifiques si tout se passe comme prévu. »

Dans le meilleur des cas, trois semaines après le lancement, MiRaTA sera pleinement opérationnel, et dans les trois mois, l'équipe aura obtenu les données de validation du radiomètre et du récepteur GPS. Le grand objectif de la mission - déclarer la démonstration technologique un succès - serait confirmé un peu plus loin, au moins six mois, suite à l'analyse des données.

Si la validation de la technologie MiRaTA est réussie, Cahoy a dit qu'elle envisage une éventuelle constellation de ces CubeSats en orbite autour de la Terre entière, prendre des instantanés de l'état de l'atmosphère et de la météo toutes les 15 minutes, assez fréquemment pour suivre les tempêtes, des blizzards aux ouragans, en temps réel. « Notre objectif est de faire en sorte que nos radiomètres fonctionnent aussi bien que ceux des satellites météorologiques actuels et soient en mesure de fournir le type de données qui aident les agences et les personnes confrontées à une catastrophe naturelle à se préparer tôt et judicieusement. " elle a dit.

"C'est une mission très excitante car ce sera la première démonstration en orbite d'un tout temps, radiomètre à trois fréquences CubeSat utilisant l'étalonnage atmosphérique basé sur le GPS-RO, " a déclaré Charles Norton du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, un associé de programme au Earth Science Technology Office (ESTO) de la NASA et le gestionnaire de tâches pour MiRaTA. « C'est un véritable témoignage de la créativité et de l'innovation des équipes impliquées qu'elles font progresser les technologies de mesure pour les futures missions de constellation de petits satellites, " il a dit, tout en ajoutant que le laboratoire de dynamique spatiale de l'Utah State University et l'installation de vol Wallops de la NASA soutiennent les opérations de la station au sol et de la mission pour le CubeSat.

MiRaTA et d'autres missions InVEST en sciences de la Terre sont financées et gérées par le programme ESTO de la NASA au sein de la division des sciences de la Terre de la NASA. L'ESTO soutient les technologues des centres de la NASA, l'industrie et le milieu universitaire à développer, affiner et démontrer de nouvelles méthodes d'observation de la Terre depuis l'espace, des systèmes d'information aux nouveaux composants et instruments.

Petits satellites, y compris CubeSats, jouent un rôle de plus en plus important dans l'exploration, démonstration de technologie, la recherche scientifique et les enquêtes pédagogiques à la NASA, y compris :l'exploration de l'espace planétaire; Observations de la Terre ; sciences fondamentales de la Terre et de l'espace; et le développement d'instruments scientifiques précurseurs tels que les communications laser de pointe, communications de satellite à satellite et capacités de mouvement autonome.