Une caméra plasma miniaturisée pour les missions spatiales

L’espace interplanétaire n’est pas entièrement vide de particules. Les étoiles comme le Soleil émettent continûment un vent de particules chargées (des électrons et des ions, les constituants d’un plasma), qui se renforce lors des tempêtes solaires. Ces particules interagissent avec les environs des planètes qui possèdent un champ magnétique telle que la Terre donnant lieu à des phénomènes spectaculaires comme les aurores, mais aussi à d’autres affectant la sécurité des satellites en orbite ou celle des équipages des vols survolant les régions polaires. Si les mécanismes généraux à l’origine de ces phénomènes sont connus, ils restent difficiles à prévoir et notre dépendance croissante à l’égard des moyens spatiaux rend des plus urgents le d’anticiper la « météorologie de l’espace ».

L’équipe « Plasmas spatiaux » du LPP, avec le soutien du CNES (l’agence spatiale française), a mis au point la première caméra plasma capable de mesurer les électrons et les ions du milieu spatial, à la fois plus rapide et plus compacte que les instruments classiques. Le but est de compter à haute cadence les particules et de mesurer leur énergie, leur vitesse et leur densité (ce que les scientifiques appellent la fonction de distribution des ions et des électrons du plasma).

Une mesure hémisphérique quasi-instantanée

« Les instruments classiques ne possèdent qu’un champ de vue limité à un plan autour du satellite, explique Gwendal Hénaff, qui vient de soutenir sa thèse au LPP. Comme ils doivent mesurer dans les trois dimensions, ces instruments procèdent par étape, en utilisant des déflecteurs pour élargir leur champ de vue ». Il est aussi souvent nécessaire d’embarquer plusieurs instruments similaires, ce qui réduit leur rapidité d’acquisition et augmente l’encombrement sur des sondes où les ressources (espace, poids, consommation électrique, etc.) sont limitées.

Dans sa thèse effectuée sous la direction de Matthieu Berthomier, chargé de recherche CNRS au LPP et président du groupe de travail du CNES sur le Soleil, l’Héliosphère et les Magnétosphères, Gwendal Hénaff a travaillé sur une nouvelle topologie optique afin d’obtenir un champ de vue sur tout un hémisphère et une mesure en quelques dixièmes de secondes au lieu de quelques secondes pour les instruments classiques. « L’idée de cette topologie optique, formant des donuts imbriqués les uns dans les autres, a émergé il y a plus de dix ans, mais elle était complexe à mettre en œuvre. Notre équipe a réalisé qu’elle ne pouvait être mise en œuvre qu’en utilisant les progrès récents de la fabrication additive par impression 3D » poursuit le jeune physicien.

En effet, les technologies qui permettent d'imprimer des matériaux de qualité avec une résolution suffisante pour le vol spatial n’existent à que depuis quelques années. Après un gros travail d’optimisation de cette topologie optique et de nombreux essais d’impression, les chercheurs ont obtenu un prototype répondant au besoin. Mais deux autres verrous technologiques ont également dû être levés. 

Des futures missions d’observation et de météorologie de l’espace

D’une part, Gwendal Hénaff a mis au point une méthode de métallisation sélective qui permet de déposer des électrodes sur la pièce en résine non-conductrice imprimée en 3D. Ces électrodes sont nécessaires pour fonctionnaliser ces optiques qui doivent dévier les particules chargées vers un détecteur sur lequel se forme une image du plasma entourant la sonde.  D’autre part, l’électronique du détecteur imageur de la caméra plasma a été spécifiquement conçue au LPP sous la forme d’un circuit intégré capable de compter les électrons et les ions dans les 64 directions de visées de l’instrument. Cette électronique miniaturisée réduit très fortement les ressources nécessaires.

Le prototype de la caméra plasma a subi une première phase de test et de calibration en laboratoire. Gwendal Hénaff travaille désormais à un modèle de qualification, qui serait représentatif d’un instrument pouvant effectivement être embarqué sur une sonde. Dès 2028, un modèle de vol de la caméra pourrait voler à bord d’une sonde spatiale en orbite basse pour validation, avant d’être déployé sur des constellations dédiées à l’acquisition de données pour la météorologie de l’espace. La caméra plasma du LPP a également été sélectionnée pour la mission Plasma Observatory qui est à l’étude par l’Agence spatiale européenne dans le cadre de son programme scientifique.

Référence de l’article :

*LPP : une unité mixte de recherche CNRS, Observatoire de Paris-PSL, Sorbonne Université, Université Paris-Saclay, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France