Électrons tueurs et charge des engins spatiaux

2023-2024
En orbite géostationnaire (~36 000 km d'altitude), les satellites peuvent rencontrer des anomalies opérationnelles causées par l’accumulation de charge électrique provoquées par des électrons hautement énergétiques (>1 MeV) connus sous le nom d'électrons tueurs.

Dans le cadre du réseau de services de météorologie spatiale de l'ESA, le groupe de météorologie spatiale de l’IASB a mis au point un prototype de service qui fournit des prévisions immédiates et des alertes sur le risque de charge pendant les orages magnétiques. Ces avertissements peuvent aider les opérateurs à prendre des mesures de réduction des risques et à augmenter le niveau d'alerte de l'opérateur du satellite.

Chargement de l’engin spatial

Lors d'une activité solaire accrue, les électrons piégés dans la ceinture de radiation extérieure de la Terre peuvent être accélérés à des énergies élevées (>1 MeV, surnommés électrons tueurs) par des vents solaires rapides (provenant des trous coronaux) et des éjections de masse coronale interplanétaires (EMC).

À ces énergies, les électrons peuvent facilement pénétrer la coque d'un vaisseau spatial et la couche de protection de ses composants. Une fois à l'intérieur du matériau (par exemple, polymères isolés, verre, ...), les électrons accumulent lentement (en quelques heures à quelques jours) des charges qui peuvent conduire à des tensions élevées et endommager le matériau par des décharges électrostatiques (DES).

Les DES peuvent entraîner des modifications permanentes des propriétés des matériaux, des dysfonctionnements ou des interruptions de dispositifs critiques, voire la fin de la mission du vaisseau spatial.

Un prototype de service de météo spatiale

En couplant un code de charge à des observations et des simulations de l'environnement de rayonnement électronique dans la ceinture extérieure, il est possible d'estimer les risques de DES à bord des satellites se déplaçant dans l'environnement de charge. Les simulations peuvent être effectuées pour diverses combinaisons de géométries de blindage simples, divers matériaux et différentes configurations de mise à la terre électrique.

Le groupe de météorologie spatiale de l'IASB a mis au point un prototype de service à l'intention des opérateurs de satellites, qui fournit des prévisions quotidiennes des risques de charge en orbite géostationnaire. Ce service est disponible dans le Space Weather Service Network for demonstration de l'ESA.

Le 10 mai 2024, une série d’EMC a été lancée par le Soleil vers la Terre, provoquant une forte tempête géomagnétique. 

 

Remerciements

Ce travail a été réalisé dans le cadre du programme de l’ESA Space Safety Programme - Space Weather Service Network Development and Pre-Operation (partie 1), soutenu par le numéro de contrat de l'ESA 4000134036/21/D/MRP.

Décharge électrostatique sur un satellite dans l'espace
Dessin d'une décharge électrostatique sur un satellite dans l'espace. Crédits: ESA
Visualisation des ceintures de radiation et des électrons piégés
Visualisation des ceintures de radiation et des électrons piégés qui tournent en spirale autour des lignes de champ magnétique. Crédits: UCLA EPSS/NASA SVS
Capture d'écran du service de prévision immédiate du risque ESD
Capture d'écran du service de prévision immédiate du risque ESD (en orbite géostationnaire) au cours de la deuxième semaine de mai 2024. En fonction du matériau et de la présence/absence d'une couche de protection en aluminium, le risque est élevé (couleur rouge) ou faible (couleur verte).