En avril 2021, Connor O'Brien et Emil Atz effectuent des "tests de vibration" de CuPID pour s'assurer qu'il peut résister à l'environnement spatial. Crédit :Brian Walsh
Lorsque vous aidez à construire un satellite de la taille d'une boîte à chaussures, vous apprenez à peu près tout à ce sujet, dit Emil Atz, un doctorat candidat en génie mécanique à l'Université de Boston. Vous apprenez à rédiger une proposition pour la financer, comment placer les vis qui le maintiennent ensemble, comment tester chaque instrument pour s'assurer qu'il fonctionne correctement.
Et puis vous apprenez à dire au revoir.
"C'est un sentiment effrayant, travailler sur un morceau de matériel à temps plein pendant quatre ans, puis le mettre dans le lanceur de fusée pour ne plus jamais le revoir, " dit Atz. " Je ne voulais pas fermer la porte. "
En septembre, une fusée sera lancée depuis la base de Vandenberg Space Force en Californie, avec Landsat 9, une mission conjointe de la NASA et du US Geological Survey. La fusée transportera également quatre CubeSats - compacts, satellites en forme de boîte utilisés pour des projets de recherche spatiale.
Par rapport aux satellites standards, Les CubeSats sont peu coûteux à lancer. Tout comme quand des amis se partagent un billet de taxi, de minuscules satellites peuvent monter sur des fusées transportant plusieurs autres missions, faire baisser le prix de chacun.
L'un des CubeSats lancé avec Landsat 9 est le Cusp Plasma Imaging Detector, ou CuPID. Pas plus gros qu'une miche de pain ni plus lourd qu'une pastèque, CuPID a un gros travail. Depuis une orbite à environ 550 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre, le petit CuPID imagera la limite où le champ magnétique de la Terre interagit avec celui du Soleil.
Atz fait partie d'une équipe de collaborateurs du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, Université de Boston, Université Drexel, Université Johns Hopkins, Collège Merrimack, Société aérospatiale, et Université de l'Alaska, Fairbanks qui a rendu CuPID possible.
En mission
Produit par le champ magnétique terrestre, la magnétosphère est une bulle protectrice entourant notre planète. "La plupart du temps, nous sommes assez bien protégés de l'activité du soleil, alors que l'énergie et les particules du Soleil font le tour de la Terre, " a déclaré Brian Walsh, professeur adjoint de génie mécanique à l'Université de Boston et chercheur principal de CuPID.
Mais quand le Soleil est assez actif, son champ magnétique peut fusionner avec celui de la Terre dans un processus appelé reconnexion magnétique. La magnétosphère terrestre change de forme et le rayonnement solaire ruisselle vers nous, mettant potentiellement en danger les satellites et les astronautes.
Emil Atz et Kenneth M Simms, ingénieur au Goddard Space Flight Center de la NASA, éléments de câblage du vaisseau spatial CuPID - abréviation de Cusp Plasma Imaging Detector - en janvier 2020 à Goddard. Crédit :Brian Walsh
"Avec CuPID, nous voulons savoir à quoi ressemble la limite du champ magnétique terrestre, et comprendre comment et pourquoi l'énergie entre parfois, ", a déclaré Walsh.
Alors que des missions comme la mission Magnetospheric Multiscale ou MMS de la NASA survolent des événements de reconnexion magnétique pour les voir à une micro-échelle, CuPID recherche une vue macro. À l'aide d'une caméra à rayons X doux à large champ de vision, CuPID observe une énergie plus basse, ou "doux, " Rayons X émis lorsque des particules solaires entrent en collision avec la magnétosphère terrestre.
Construire cette caméra n'a pas été facile. Les rayons X ne se plient pas aussi facilement que la lumière visible, ils sont donc beaucoup plus difficiles à se concentrer. Plus, imager la frontière magnétique de la Terre en orbite autour de la Terre, c'est comme être assis au premier rang d'une salle de cinéma - si proche, il est difficile de voir l'image complète. Une caméra appropriée doit être spécialement conçue pour capturer un large champ de vision de relativement près.
Il y a seize ans, une équipe de scientifiques, ingénieurs, techniciens et étudiants de Goddard et Wallops Flight Facility sur l'île de Wallops, Virginia a commencé à travailler sur un prototype. Au lieu de courber la lumière, leur appareil photo réfléchissait ou faisait "rebondir" les rayons X au point, en les faisant passer à travers une grille de canaux serrés disposés pour lui donner une vue à grand champ.
En 2012, Dr Michael R. Collier, qui a dirigé la contribution de Goddard à CuPID, et ses collègues de Goddard, le Dr David G. Sibeck et le Dr F. Scott Porter, testé la caméra dans l'espace pour la première fois à bord de la fusée-sonde DXL.
« Ce fut un tel succès que nous avons immédiatement commencé à travailler sur des moyens de le miniaturiser et de le mettre dans un CubeSat, " dit Collier.
En 2015, un prédécesseur de CuPID a effectué un deuxième vol de fusée-sonde. Peu après, le projet a été sélectionné par la NASA pour mener à bien le satellite complet avec avionique. Depuis lors, étudiants et scientifiques travaillent sur CuPID.
Risque élevé, haute récompense
Jusqu'à ce que la California Polytechnic State University développe le premier CubeSat en 1999, la plupart des satellites avaient la taille d'une voiture ou d'un bus et coûtaient des centaines de millions de dollars à développer et à lancer, dit Walsh. Ces coûts élevés ont dissuadé la prise de risque. Si un nouveau, l'outil expérimental a échoué, de grosses sommes d'argent seraient perdues.
"L'objectif initial de CubeSats était d'être moins coûteux, permettant la démocratisation de l'espace, " a déclaré Collier. Des coûts inférieurs signifient plus de place pour l'expérimentation et l'innovation.
Les scientifiques de la NASA Michael Collier, David Sibeck, et Scott Porter ont fait équipe pour développer et démontrer la première caméra à rayons X à grand champ pour étudier un phénomène mal compris appelé « échange de charge ». Crédit :NASA/Chris Gunn
"Ils sont plus à risque, mais aussi une récompense plus élevée, ", a déclaré Walsh.
La prolifération des petits, les missions expérimentales par satellite ont créé plus d'opportunités pour les étudiants de s'impliquer dans des projets d'ingénierie pratiques.
Au cours de sa première année en tant qu'étudiante en génie mécanique à l'Université de Boston, Jacqueline Bachrach, un "enfant de l'espace" autoproclamé, " inscrit au cours d'introduction à la fusée de Walsh. Peu de temps après, elle a rejoint son laboratoire et a depuis assumé un rôle important dans la mission CuPID.
"J'ai appris beaucoup de compétences importantes, que je pourrais éventuellement appliquer à d'autres missions, " dit Bachrach, maintenant junior. "Tout le monde sur le projet a tellement de connaissances qu'ils sont prêts à partager. Cela a été une expérience incroyablement précieuse, surtout pour un étudiant de premier cycle."
Le voyage à venir
L'équipe se prépare déjà aux découvertes de CuPID sur les mystères de la reconnexion magnétique.
Atz dit qu'il est impatient d'établir le premier contact avec le satellite une fois qu'il sera dans l'espace et de commencer à transférer des données. Les étudiants y participeront, trop. Lui et Walsh ont commencé à former plusieurs étudiants de premier cycle, dont Bachrach, pour suivre la santé du satellite et interpréter ses données depuis l'orbite.
"Avec une grande mission, vous n'avez pas beaucoup d'occasions pour les étudiants d'avoir une part importante de contribution, " Atz dit. " Avec CuPID, les étudiants ont été impliqués presque à chaque étape du processus. »
Pour les nombreux étudiants et scientifiques impliqués dans plus de 15 ans de développement de CuPID, la partie la plus excitante est encore à venir.
