Un satellite de la taille d'un pain a produit la première carte au monde de la répartition mondiale de la glace atmosphérique dans la bande 883-Gigahertz, une fréquence importante dans la longueur d'onde submillimétrique pour étudier la glace nuageuse et son effet sur le climat de la Terre.

IceCube, le petit vaisseau spatial déployé depuis la Station spatiale internationale en mai 2017, a fait la démonstration dans l'espace d'un radiomètre commercial de 883 gigahertz développé par Virginia Diodes Inc., ou VDI, de Charlottesville, Virginie, dans le cadre d'un contrat de recherche innovante pour les petites entreprises de la NASA. Il est capable de mesurer les propriétés critiques de la glace des nuages ​​atmosphériques à des altitudes comprises entre 3 et 9 miles (5 km-15 km).

Les scientifiques de la NASA ont été les premiers à utiliser des bandes de longueur d'onde submillimétriques, qui se situent entre les micro-ondes et les infrarouges sur le spectre électromagnétique, pour sentir les nuages ​​de glace. Cependant, jusqu'à IceCube, ces instruments n'avaient volé qu'à bord d'avions de recherche à haute altitude. Cela signifiait que les scientifiques ne pouvaient collecter des données que dans les zones sur lesquelles l'avion a survolé.

"Avec IceCube, les scientifiques disposent désormais d'un système de radiomètre submillimétrique fonctionnel dans l'espace à un prix commercial, " dit Dong Wu, un scientifique et chercheur principal d'IceCube au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Plus important, il fournit une vue globale sur la distribution de la glace nuageuse sur Terre. »

Pour détecter la glace des nuages ​​atmosphériques, les scientifiques doivent déployer des instruments réglés sur une large gamme de bandes de fréquences. Cependant, il est particulièrement important de piloter des capteurs submillimétriques. Cette longueur d'onde comble une importante lacune de données dans la moyenne et la haute troposphère, où les nuages ​​de glace sont souvent trop opaques pour que les capteurs infrarouges et visibles puissent les pénétrer. Il révèle également des données sur les plus petites particules de glace qui ne peuvent pas être détectées clairement dans d'autres bandes de micro-ondes.

Le défi technique

La carte d'IceCube est une première en son genre et de bon augure pour les futures observations spatiales des nuages ​​​​de glace mondiaux à l'aide de la technologie des ondes submillimétriques, dit Wu, dont l'équipe a construit le vaisseau spatial à l'aide du financement du programme de validation dans l'espace des technologies des sciences de la Terre (ESTO) de l'Earth Science Technology Office (ESTO) de la NASA et de l'initiative CubeSat de la Direction des missions scientifiques de la NASA. Le défi de l'équipe était de s'assurer que le récepteur commercial était suffisamment sensible pour détecter et mesurer la glace des nuages ​​atmosphériques en utilisant le moins d'énergie possible.

Finalement, l'agence veut infuser ce type de récepteur dans un radiomètre d'imagerie de nuage de glace pour les aérosols-nuages-écosystèmes proposés par la NASA, ou ACE, mission. Recommandé par le Conseil national de recherches, ACE évaluerait quotidiennement la répartition mondiale des nuages ​​de glace, qui affectent l'émission d'énergie infrarouge par la Terre dans l'espace ainsi que sa réflexion et son absorption de l'énergie du Soleil sur de vastes zones. Avant IceCube, cette valeur était très incertaine.

« Cela en dit long que nos scientifiques font de la science avec une mission qui était principalement censée démontrer la technologie, " a déclaré Jared Lucey, l'un des ingénieurs instrumentistes d'IceCube. Il était l'un des rares scientifiques et ingénieurs de Goddard et de la Wallops Flight Facility de la NASA en Virginie à avoir développé IceCube en seulement deux ans. "Nous avons atteint nos objectifs de mission et maintenant tout le reste est un bonus, " il a dit.

Plusieurs leçons apprises

En plus de démontrer des observations d'ondes submillimétriques depuis l'espace, l'équipe a obtenu des informations importantes sur la façon de développer efficacement une mission CubeSat, déterminer les systèmes à rendre redondants et les tests auxquels renoncer en raison de fonds limités et d'un calendrier court, dit Jaime Esper, Concepteur des systèmes de mission d'IceCube et chef de projet technique chez Goddard.

"Ce n'était pas une tâche facile, " dit Negar Ehsan, Le chef du système d'instruments d'IceCube. "C'était un projet à petit budget" qui a obligé l'équipe à développer à la fois une unité d'essai technique et un modèle de vol dans un laps de temps relativement court. Malgré les défis, l'équipe a livré l'instrument fourni par le VDI dans les délais et le budget impartis. « Nous avons démontré pour la première fois des observations à 883 Gigahertz dans l'espace et prouvé que le système fourni par VDI fonctionne correctement, " dit-elle. " C'était gratifiant. "

L'équipe a utilisé des composants commerciaux standard, y compris le radiomètre de VDI. Les composants provenaient de plusieurs fournisseurs commerciaux et ne fonctionnaient pas toujours harmonieusement, nécessitant une ingénierie. L'équipe a non seulement intégré le radiomètre au vaisseau spatial, mais aussi construit des systèmes d'appui au sol pour engins spatiaux et conduit le vide thermique, vibration, et des tests d'antennes à Goddard et Wallops.

"IceCube n'est pas parfait, " Wu a concédé, se référant au bruit ou à de légères erreurs dans les données du radiomètre. "Toutefois, nous pouvons faire une mesure scientifiquement utile. Nous sommes repartis avec beaucoup de leçons apprises de ce projet CubeSat, et la prochaine fois, les ingénieurs pourront le construire beaucoup plus rapidement."

"C'est un modèle de mission différent pour la NASA, " Wu continua. " Notre objectif principal était de montrer que cette petite mission pouvait être accomplie. La question était, pourrions-nous obtenir une science utile et faire progresser la technologie spatiale avec un CubeSat à faible coût développé dans le cadre d'un partenariat efficace entre le gouvernement et le commerce. Je crois que la réponse est oui."

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.

La NASA ESTO soutient les missions InVEST comme IceCube et les technologies 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.