Objectifs scientifiques
L’accélération des particules chargées, la reconnexion magnétique, ou la turbulence plasma sont autant de processus physiques universels d’intérêt astrophysique qui couplent la dynamique rapide des électrons à celle plus lente des espèces ioniques. Dans le contexte héliosphérique, que ce soit dans le vent solaire ou dans les environnements planétaires, l’étude de ces phénomènes multi-échelles impose de déployer des constellations de satellites capables de monitorer les électrons et les ions du plasma simultanément et à différentes échelles. Dans cette perspective, il semble indispensable de disposer d’une instrumentation miniaturisée qui rende possible l’utilisation de plateformes nano-satellites. La définition d’un nano-satellite adapté à ces thématiques a fait l’objet de l’étude de Phase 0 SPEED par le CNES en 2021-2022, ce qui a initié la définition du spectromètre plasma 3DCAM-nano.
Par ailleurs, avec le développement des activités de météorologie de l’espace en France, au CNRS sous l’impulsion du PNST, et au travers de l’OFRAME (Office Français de Météorologie de l’Espace), le besoin de mesures en continu des précipitations de particules chargées en orbite basse a été identifié comme une priorité de la communauté pour la surveillance de l’environnement spatial. Dans le cadre du programme SSA (Space Situation Awareness) de l’ESA, la France a ainsi proposé en 2022 de financer le développement avec l’industrie du démonstrateur de nano-satellite S2P qui inclurait un moniteur de radiations du CNES, une sonde de Langmuir, et le spectromètre plasma 3DCAM du LPP. Celui-ci serait développé en collaboration avec l’IRAP. Une étude de phase 0 industrielle est en cours au Q3 2023 à l’ESA et si elle est concluante, elle pourrait déboucher sur un AO dès 2024.
Dans ce contexte, le LPP travaille sur une version de sa caméra plasma adaptée à ces besoins. Elle couple pour la première fois en un capteur unique la mesure des électrons et des ions. 3DCAM utilise des technologies d’impression 3D mises au point ces dernières années et qui présentent un intérêt certain pour l’instrumentation en général et pour l’instrumentation spatiale en particulier. Avec cette version nano de 3DCAM, nous cherchons à faire fonctionner notre caméra dans deux modes de fonctionnement d’ordinaire incompatibles, un mode électrons et un mode ions. Cette mesure est rendue possible par l’utilisation de couches minces permettant la conversion des ions en électrons en amont du détecteur. Le champ de vue 3D de 3DCAM supprime le besoin de spin du satellite, ce qui permet de viser une plateforme stabilisée 3 axes comme celle envisagée pour S2P. Une thèse co-financée par le CNES et l’ED de l’IP Paris est en cours avec un financement de R&T CNES.
Description technique
La miniaturisation de 3DCAM implique d’optimiser l’intégration de ses sous-systèmes au sein d’un boitier électronique compact qui intègre le système de contrôle de l’instrument incluant un FPGA, une électronique de détection de type ASIC et un système de hautes tensions dont l’IRAP étudie le design.
Le LPP sollicite la DT pour la conception et la validation sur cible FPGA standard du système de contrôle de l’instrument, ce qui permettra d’atteindre un niveau de maturité suffisant pour proposer l’instrument sur nano-satellite.
Voir aussi : l’étude mécanique préliminaire basée sur le premier design de 3DCAM.
Contact DT : Gabriel Degret
Contact LPP : Matthieu Berthomier