Prototype van een ruimteweerdienst voor de Van Allen-stralingsgordels

Onze ruimteinfrastructuur kan gemakkelijk beschadigd raken door hoogenergetische deeltjes tijdens sterke geomagnetische stormen die worden veroorzaakt door gebeurtenissen op de zon die op de aarde afkomen (zoals coronale massa-uitstoot of mee-roterende interactiegebieden in de zonnewind). Het project SafeSpace – gefinancierd door de EU binnen het Horizon 2020 programma – ontwikkelde een prototype voor een ruimteweerdienst die satellieten in de ruimte tegen dit soort natuurlijke risico’s moet helpen beschermen. Dit werd gerealiseerd door de combinatie van 10 computermodellen van de zon tot de Van Allen stralingsgordels rond de aarde. Het BIRA was betrokken bij het plasmasfeergedeelte van deze modelleringsketen.

BIRA’s plasmasfeermodel

De plasmasfeer bevindt zich in de binnenste regionen van de magnetosfeer van de aarde. Het is een gebied gevuld met dicht en koud plasma afkomstig uit de ionosfeer en vormt een toroïdale zone rondom onze planeet. De buitengrens van de plasmasfeer wordt de plasmapauze genoemd.

Het BIRA plasmasfeermodel is een 3D kinetisch dynamisch model van de plasmafeer gekoppeld aan het empirische Internationale Referentiemodel voor de Ionosfeer (IRI). De positie van de plasmapauze wordt bepaald met behulp van het mechanisme van uitwisselingsinstabiliteit.

Het SafeSpace-project

SafeSpace was een wetenschappelijk onderzoeksproject gefinancierd door het Horizon 2020 kaderprogramma van de EU. Het begon in januari 2020 en duurde 3 jaar. Het project stelde zich tot doel het opvolgen en voorspellen van de stralingsrisico’s in de ruimte te verbeteren. Door geavanceerde ruimteweersvoorspellingstechnieken vanuit de onderzoeksfase operationeel te gaan exploiteren, kan er immers een belangrijke bijdrage geleverd worden aan de veiligheid van de infrastructuur in de ruimte.

Daartoe werd er een nauwe samenwerking opgezet tussen de academische wereld en de onderzoeksinstituten (NKUA, ONERA, KU Leuven, IAP, UPS, BIRA), een grote partner uit de Europese ruimtevaartindustrie (TAS) en een ruimtevaart-consultancy bedrijf (SPARC).

Dit team verbeterde de modellering van de stralingsgordel door processen en parameters die van groot belang zijn voor de dynamiek van de stralingsgordel op te nemen in een bestaand fysisch model (Salammbô). De positie van de plasmapauze die wordt verkregen uit het plasmasfeermodel dient als input voor het beschrijven van golf-deeltjes-interacties in Salammbô.

Belangrijkste resultaten

Het ultieme resultaat van het project is een gesofisticeerd model van de elektronenstralingsgordel en een prototype van een ruimteweerdienst die aangepaste indicatoren levert voor de stralingsrisico’s in de stralingsgordels, met voorspelling van de blootstelling aan straling in lage (LEO), middelhoge (MEO) en geostationaire (GEO) banen rond de aarde, met een voorspellingshorizon van 4 dagen.

Meer weten?

Referenties

Dahmen, N., Sicard, A., Brunet, A., Santolik, O., Pierrard, V., Botek, E., and Darrouzet, F. (2022). FARWEST: Efficient computation of wave-particle interactions for a dynamic description of the electron radiation belt diffusion. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 127(10), e2022JA030518, https://doi.org/10.1029/2022JA030518.

Pierrard, V., Botek, E., and Darrouzet, F. (2021). Improving Predictions of the 3D Dynamic Model of the Plasmasphere. Frontiers in Astronomy and Space Sciences, 8:681401, https://doi.org/10.3389/fspas.2021.681401.

Organisatie van het SafeSpace-project.

Voorbeeld van omgevingsindicatoren voor de stralingsgordel voor 3 verschillende typische banen rond de aarde (LEO, MEO, GEO) geproduceerd door het SafeSpace-project.

2023