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  • Judith Biernaux

ICON, mission impossible

Mis à jour : 29 nov 2019

Le lancement du petit satellite ICON s'est déroulé de manière pour le moins inhabituelle. D'une part, il a été lancé non pas depuis le sol mais depuis... un avion. D'autre part, les conditions climatiques en Californie ont obligé l'équipe à oeuvrer sans être connecté au réseau d'électricité.


Vue d'artiste du satellite ICON. Image : NASA Goddard's Conceptual Image Lab/B. Monroe


Aux frontières de l'atmosphère


The Ionospheric Connection Explorer, ou ICON, est une mission de la NASA qui a pour destination la limite entre l'espace et l'atmosphère terrestre, soit la plus haute couche de notre atmosphère, appelée ionosphère. Plus on monte en altitude dans l'atmosphère, plus la pression diminue et plus la densité de la couche de gaz s'amoindrit. L'ionosphère est donc une région plutôt ténue, mais loin d'être inintéressante, entre 60 km et 1000 km d'altitude. Elle est riche en phénomènes physiques provenant de l'interaction entre notre atmosphère et la "météo spatiale", particulièrement liée aux fluctuations de la radiation solaire.


En effet, les rayons ultraviolets du Soleil sont capables d'ioniser les molécules de cette région de l'atmosphère, d'où son nom. Ioniser, ça veut dire arracher un ou plusieurs électrons à une molécule ou un atome. Ainsi libéré, l'électron peut circuler au gré des champs magnétiques et électriques qu'il rencontre. L'atome ou la molécule qu'on a privé d'un électron se retrouve affublé d'une charge positive, lui conférant aussi la possibilité d'interagir électriquement avec son environnement. Ce genre de gaz chargé électriquement est ce qu'on appelle un plasma.


Les aurores polaires interviennent notamment au niveau de l'ionosphère : des particules chargées perdent de l'énergie en émettant de la lumière, qui provoquent les aurores. Ici, une aurore au-dessus de l'Islande. Image : Jingyi Zhang/Wang Zheng.

La vie d'un plasma est bien compliquée : par exemple, les électrons plus légers peuvent se déplacer plus vite que les ions positifs, ce qui donne lieu à des déplacements de matière pas évidents à modéliser. Rajoutons à la circulation atmosphérique, les vents turbulents, la saisonnalité... tout cela soumet également le plasma à beaucoup de mouvements. Par ailleurs, les charges opposées s'attirent : dans cette grande soupe où les particules chargées se promènent plus ou moins librement, un électron peut être re-capturé par un ion positif, c'est la recombinaison. Un autre paramètre très intéressant pour le caractériser, c'est sa densité d'électrons, soit son nombre d'électrons par unité de volume. Il dépend entre autre de l'équilibre entre l'exposition du plasma aux radiations ionisantes et de son taux de recombinaison.


Ce paramètre est important pour la vie quotidienne des terriens : en effet, les signaux radio et de télécommunications, tels que le GPS, doivent traverser l'ionosphère avant de parvenir à nos récepteurs terrestres. Or, l'ionosphère est capable de refléter une partie de ces signaux, plus ou moins fort en fonction de sa densité d'électrons. Une "mauvaise" météo de l'ionosphère peut dégrader les signaux, ou même les bloquer. La transparence de l'ionosphère à ces signaux implique des phénomènes compliqués dans un système complexe. Par exemple, en février 2018, le lancement d'une fusée Falcon 9 (de la société SpaceX) a perturbé l'ionosphère : sa trajectoire inhabituellement verticale a généré dans cette région atmosphérique des ondes de choc d'ampleur inégalée, enregistrées jusqu'à 20 minutes après son passage. Dans son sillage, la fusée Falcon 9 a créé une diminution drastique de la densité d'électrons de près de 70% - un trou dans l'ionosphère, en quelques sortes. Cette diminution du contenu en électrons d'une partie de l'ionosphère, d'une taille comparable à l'aire de la Californie toute entière, a perturbé la transmission des signaux radios humain. Notamment, ces signaux auraient provoqué des erreurs dans les positionnements GPS de près d'un mètre.


Ce genre de perturbation peut aussi se produire suite à des phénomènes naturels, notamment l'activité solaire, et c'est la fameuse "météo ionosphérique" qui intéresse ICON. Cette mission promet de mieux comprendre sa variabilité. Bien comprises, les conséquences de la météo ionosphérique sur nos signaux de télécommunications pourront être réduites, mieux gérées. Plutôt prometteur, vu notre dépendance de plus en plus marquée en ces diverses technologies.


Ok, étudier l'ionosphère, c'est difficile mais c'est important, d'où le besoin d'une mission comme ICON. Le lancement du satellite s'est déroulé avec succès le 11 octobre. Pourtant, ce n'était pas gagné : la méthode de lancement un peu particulière et les feux de forêt en Californie menaçaient le bon déroulement de cette mission...


Sauter d'un avion


Pour atteindre son orbite basse, ICON a adopté une stratégie peu commune : un lanceur aéroporté. La fusée Pegasus XL a ceci de spécial qu'elle ne décolle pas verticalement du sol comme la plupart des autres lanceurs. Elle se fixe au "ventre" d'un avion gros porteur, et est larguée de celui-ci en profitant de la vitesse de l'avion comme d'un petit élan. Après une chute libre de cinq secondes, son moteur s'allume et elle entame son ascension à l'aide de son premier étage. La plupart des fusées ont des moteurs orientables pour rectifier leur trajectoire, mais Pegasus XL est muni de petites ailes pour corriger sa trajectoire et pour un peu plus de portée. Comme les fusées conventionnelles, Pegasus XL brûle petit à petit son carburant et se sépare de ses différents étages, jusqu'à arriver à une altitude de 575 kilomètres, où le satellite ICON est alors placé en orbite.


L'avantage d'un lanceur aéroporté est surtout de pouvoir s'affranchir de mauvaises conditions météorologiques au sol. Elle ne permet par contre pas de lancer des charges utiles plus lourdes que 450 kg. On entend par charge utile la masse du satellite à proprement parler, c'est-à-dire des instruments scientifiques qui permettront d'atteindre le but de la mission : télescopes, antennes ... . En plus de cette charge utile, une masse supplémentaire est nécessaire pour maintenir le satellite en vie : l'alimenter en électricité, contrôler sa température, sa trajectoire et sa position en orbite. Ainsi, avec sa capacité de 450kg en charge utile et son diamètre d'un peine plus d'un mètre, Pegasus XL n'est taillé que pour les petits satellites, plus petits que la plupart des satellites scientifiques et commerciaux.


Pegasus XL compte une petite cinquantaine de lancements à son actif. Dans le cas d'ICON, le décollage a eu lieu depuis l'aéroport du Centre spatial Kennedy en Floride. C'était bien le cas pour ICON, mais le centre de contrôle de ses opérations se trouve bien en Californie, à l'Université de Berkeley, au Space Sciences Laboratory, qui assure également la partie scientifique de la mission.

Schéma du lancement d'ICON à bord de la fusée aéroportée Pegasus XL. Image : Northrop Grumman.

Un lancement sans courant ?


De terribles incendies ont récemment ravagé une grande partie du territoire californien. Pour ne rien arranger, la région est parfois soumise à de grands vents, qui peuvent propager les feux de forêt. Pour s'en protéger, en cas de grands vents, les autorités locales peuvent demander aux fournisseurs d'électricité de couper purement et simplement le courant. En effet, si les lignes à hautes tension se retrouvaient endommagées par les vents violents, des incendies pourraient démarrer et se propager très rapidement.

C'est pour cette raison que quelques jours avant le lancement prévu d'ICON, les chefs de laboratoire au Space Science Laboratory (SSL) de Berkeley reçoit un appel du fournisseur d'électricité local, la prévenant que le campus de Berkeley se voit privé de courant par mesure de précaution, pile au jour de la date prévue du lancement d'ICON (le mercredi 9/10).


Impossible de repousser le lancement d'ICON : il fallait à tout prix équiper le laboratoire pour fonctionner malgré la coupure de courant. De multiples mesures ont été déployées en urgence par la petite trentaine de membres de l'équipe ICON du SSL : acheminer des générateurs d'appoints, estimer la quantité de carburant nécessaires à leur fonctionnement, et s'approvisionner en conséquence, obtenir suffisamment de rallonges électriques pour alimenter les ordinateurs, les écrans et les téléphones... c'est la débrouille, des centaines de mètres de câbles apparaissent dans les couloirs du SSL, comme le montrent les images prises par Matt Simon pour WIRED ci-dessous.

Une fois les machines alimentées en courant, il convient de se soucier d'alimenter le staff ! Les personnes qui opèrent le lancement d'ICON doivent boire, manger, utiliser les toilettes... les bâtiments du SSL se situant sur une petite colline, l'eau y est acheminée par une pompe électrique. Alors, on stocke un maximum d'en-cas et d'eau en bouteilles, on installe des toilettes portables, on s'organise pour télétravailler au maximum. Avec toutes ces mesures déployées, le staff du SSL est fin prêt pour la coupure du 9/10. Le lancement d'ICON est finalement repoussé au 11/10, deux jours plus tard, toujours sur ce système électrique d'appoint. À part une perte de contact de quelques instants entre les pilotes de l'avion porteur et les opérateurs de l'aéroport, le lancement d'ICON s'est déroulé normalement.


La réaction au pied levé des personnes du SSL constitue une belle histoire, qui peut même faire sourire. Cependant, il ne s'agit pas seulement d'une anecdote : les coupures d'électricité préventives sont des conséquences directes d'une aggravation du problème des feux de forêts provoqué par le changement climatique. L'approvisionnement en électricité est souvent pris pour un acquis dans le monde occidental, mais la météo de plus en plus incertaine compromet cette ressource sur le long terme. En somme, le changement climatique a bien failli empêcher la mission ICON de bien démarrer.


Sources

NASA ICON press kit


Pages "ionosphère" sur le site web de L'Institut royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique (IASB)


Vidéo du lancement d'ICON par Pegasus XL


Min‐Yang Chou et al., Gigantic Circular Shock Acoustic Waves in the Ionosphere Triggered by the Launch of FORMOSAT‐5 Satellite, Space Weather, Volume16, Issue2, Pages 172-184, February 2018


Matt Simon, UC Berkeley Was About to Launch a Satellite. Then PG&E Said It Was Cutting Power, WIRED, Oct 15, 2019.

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