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Comment fonctionnent les sondes électriques ?
Les sondes électriques sont des instruments intéressants car elles permettent de caractériser le gaz chargé électriquement, également connu sous le nom de « plasma », omniprésent dans l'espace interplanétaire et dans les environnements planétaires.
Ces sondes sont constituées de surfaces conductrices d'électricité - dans le cas présent, deux sphères creuses en aluminium de 8 cm de diamètre - où se produit un échange de charges électriques avec le plasma.
Considérant que le vaisseau spatial lui-même, avec sa surface extérieure beaucoup plus grande, agit comme une grande sonde électrique, les scientifiques mesurent le courant électrique circulant entre une sonde et le vaisseau spatial lorsqu'une différence de potentiel électrique est imposée entre les deux.
En effectuant ces mesures pour une large gamme de potentiels, on obtient des informations sur le nombre de porteurs de charges électriques présents dans l'environnement (ou la densité du plasma) et sur leur mobilité (c’est-à-dire l'énergie ou la température du plasma).
La comparaison de ces mesures provenant de ces deux sondes permet de déterminer le champ électrique (dans une direction).
Comme ces mesures peuvent être effectuées à une cadence élevée, il est possible d'enregistrer les ondes électriques qui se produisent naturellement dans le plasma. En combinant avec un émetteur, il est possible d'émettre une onde dans le plasma et d'écouter la réponse du plasma. Il s'agit d'une technique de sondage actif. Pour éviter des perturbations créées par le vaisseau spatial lui-même, les sondes sont montées à l'extrémité de bras d'un mètre de long.
Construire des modèles d'essai dans le cadre d'une collaboration nationale et internationale
Après avoir conçu les sondes et en utilisant les résultats provenant d'essais avec un prototype au cours des années précédentes, il nous restait à construire les modèles structurels et thermiques (STM) et les modèles électriques et fonctionnels (EFM).
La plupart des composants ont été commandés et fabriqués par nos partenaires industriels belges. Quelques pièces très spécifiques ont été construites à l’IASB dans notre atelier mécanique. L'application d'un revêtement noir conducteur d'électricité sur les sphères a également été réalisée par l'industrie belge.
Chaque sonde est assemblée à l'extrémité d’un bras. L'un des bras est déployable et a été fourni par l'Université technique de Braunschweig. L'autre est rigide et a été construit par l'Institut suédois de physique spatiale à Kiruna.
Résolution de problèmes au cours de l'intégration : redéfinition du bouclier interne de la sonde combinée
L'intégration des sondes sur les extrémités des bras s'est bien déroulée. Cependant, nous avons rencontré un problème important. L'un des deux assemblages de sondes est une « sonde combinée » qui contient un petit magnétomètre à l'intérieur de la sphère de la sonde. Pour éviter que le magnétomètre ne perturbe les mesures électriques, la conception de la sonde prévoit un écran conducteur d'électricité, appelé « bouclier interne » entre le magnétomètre et la sphère. Initialement, nous avions prévu un bouclier interne constitué d'une feuille aluminisée - une solution de faible masse qui avait bien fonctionné dans le prototype de l'instrument.
Cependant, lors de l'intégration du modèle STM de la sonde combinée, nous avons rencontré des problèmes avec cette feuille aluminisée - le fabricant ne l'avait pas coupé aux bonnes dimensions. La modifier manuellement n'a pas donné de bons résultats.
En outre, et il s'agit là d'une préoccupation plus générale, la reproductibilité de ce bouclier interne en feuille aluminisée était douteuse. Nous avions également des doutes quant à la capacité de l'écran à conserver sa forme pendant les vibrations du lancement (bien que nous ayons pris certaines mesures pour nous en assurer).
Nous avons donc modifié la conception du bouclier et opté pour une variante composée de deux pièces solides en aluminium. Cette solution s'est avérée beaucoup plus robuste, reproductible et plus facile à intégrer, sa masse n'étant supérieure que de quelques grammes. Finalement, les EFM que nous avons construits sont des copies fidèles des versions de vol que nous construirons en 2025. Ils ont ensuite été testés mécaniquement, thermiquement et électriquement.
L'ensemble de l'exercice de construction du STM et de l'EFM a donc bien rempli ses objectifs : identifier des problèmes et les résoudre, élaborer une stratégie de construction et tester les instruments de manière approfondie. Nous sommes maintenant prêts à construire les modèles de vol et de rechange.
