Un minuscule satellite en construction au laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) pourrait ouvrir de nouveaux horizons dans l'exploration spatiale. Les étudiants de l'Université de Princeton construisent l'appareil, appelé satellite cubique, ou CubeSat, comme banc d'essai pour un propulseur de fusée miniaturisé avec des capacités uniques en cours de développement au PPPL.

Le propulseur, dont le développement est dirigé par le physicien PPPL Yevgeny Raitses, porte la promesse d'une flexibilité accrue pour la mission de CubeSats, plus de 1, dont 000 ont été lancées par des universités, centres de recherche et des intérêts commerciaux du monde entier. Le dispositif de propulsion proposé, alimenté par du plasma, pourrait élever et abaisser les orbites des CubeSats encerclant la Terre, une capacité qui n'est pas largement disponible pour les petits engins spatiaux aujourd'hui, et aurait le potentiel pour l'exploration de l'espace lointain. "Essentiellement, nous pourrons utiliser ces propulseurs miniatures pour de nombreuses missions, ", a déclaré Raitses.

Des centaines de CubeSats micro-alimentés

Un exemple :des centaines de ces CubeSats micro-alimentés sont imaginés par le physicien Masaaki Yamada, chercheur principal de l'expérience de reconnexion magnétique PPPL (MRX), qui étudie la reconnexion magnétique - la séparation et l'accrochage explosif des lignes de champ magnétique dans le plasma qui déclenchent les aurores, les éruptions solaires et les tempêtes géomagnétiques qui peuvent perturber le service de téléphonie cellulaire et les réseaux électriques sur Terre. De telles flottes CubeSat pourraient capturer dans les moindres détails le processus de reconnexion dans la magnétosphère, le champ magnétique qui entoure la Terre, dit Yamada.

Le moteur miniaturisé réduit un propulseur cylindrique avec une géométrie volume-surface élevée développé à l'expérience PPPL Hall Thruster (HTX), dirigée par Raitses et lancée avec le physicien du PPPL Nat Fisch en 1999. L'expérience étudie l'utilisation du plasma - l'état de la matière composé d'électrons flottants et de noyaux atomiques, ou des ions - pour la propulsion spatiale.

Avantage clé

Un avantage clé du propulseur Hall cylindrique miniaturisé sera sa capacité à produire une densité de poussée de fusée plus élevée que les propulseurs à plasma existants utilisés pour la plupart des CubeSats en orbite autour de la Terre. Le propulseur miniaturisé peut atteindre à la fois une densité accrue et une impulsion spécifique élevée - le terme technique désignant l'efficacité avec laquelle une fusée brûle du carburant - qui sera plusieurs fois supérieure à celle produite par les fusées chimiques et les propulseurs à gaz froid généralement utilisés sur les petits satellites.

Les propulseurs à impulsion spécifique élevée consomment beaucoup moins de carburant et peuvent allonger les missions des satellites, les rendant plus rentables. Tout aussi important est le fait qu'une impulsion spécifique élevée peut produire une augmentation suffisamment importante de la quantité de mouvement d'un satellite pour permettre au vaisseau spatial de changer d'orbite, une fonctionnalité non disponible sur les CubeSats actuellement en orbite. Finalement, une densité de poussée élevée permettra aux satellites d'accomplir des orbites complexes optimisées pour le carburant dans un délai raisonnable.

Ces capacités offrent de nombreux avantages. Par exemple, un CubeSat peut descendre sur une orbite inférieure pour suivre les ouragans ou surveiller les changements de rivage et revenir sur une orbite plus élevée où la force de traînée d'un satellite est plus faible, nécessitant moins de carburant pour la propulsion.

Le CubeSat d'environ un pied de long, que Princeton a surnommé un "TigerSat, " se compose de trois cubes en aluminium de près de quatre pouces empilés verticalement ensemble. Capteurs, piles, équipements radio et autres instruments rempliront le CubeSat, avec un propulseur miniaturisé d'un diamètre à peu près égal à deux quartiers américains logés à chaque extrémité. Un propulseur se déclenchera pour changer d'orbite lorsque le satellite passera l'équateur terrestre.

Étudiants en génie mécanique et aérospatial

Construire le CubeSat sont quelque 10 étudiants diplômés et de premier cycle de Princeton dans le département de génie mécanique et aérospatial, avec Daniel Marlow, le professeur de physique Evans Crawford 1911, servir de conseiller pédagogique. Les étudiants de premier cycle comprennent Andrew Redd, qui dirige la conception et la construction du CubeSat, et Seth Freeman, qui travaille à temps plein sur le projet pendant l'été. Jacob Simmonds travaille sur le développement des propulseurs, un étudiant en troisième année ingénieur, dont les directeurs de thèse sont Raitses et Yamada. "Ce projet a commencé comme un prototype du CubeSat de Yamada et a évolué vers son propre projet en tant que banc d'essai pour le propulseur à plasma, ", a déclaré Simmonds.

Également en construction à PPPL, une installation d'essai conçue pour simuler les aspects clés du fonctionnement du CubeSat. Des étudiants de premier cycle travaillant sur leur propre temps construisent le satellite et cette installation. « Dans la mesure où les étudiants et leurs conseillers ont identifié des questions bien définies associées au projet TigerSat, ils peuvent obtenir un crédit de travail indépendant, " dit Marlow. " Aussi, certains ensembles de problèmes dans le cours d'introduction à la physique pour les étudiants de premier cycle que j'enseigne ont des questions liées au plan de vol TigerSat. »

Simmonds, en travaillant sur le propulseur, est en train de rédiger une proposition pour l'Initiative de lancement de satellites cubiques (CSLI) de la NASA qui est attendue en novembre. Projets sélectionnés par l'initiative, qui promeut les partenariats technologiques public-privé et le développement de technologies à faible coût, avoir les frais de lancement couverts sur les véhicules commerciaux et de la NASA. Les plans prévoient un lancement de TigerSat à l'automne 2021.

Valeur de la collaboration

Pour Raïts, ce projet démontre la valeur des étudiants en génie de Princeton qui collaborent avec PPPL et des professeurs de l'université qui coopèrent avec le laboratoire. "C'est quelque chose qui est mutuellement bénéfique, " il a dit, "et quelque chose que nous voulons encourager."