16 Mai 2017

Des ballons stratosphériques : pour quoi faire ?

La campagne Austral 2017 s’est achevée fin avril. A l’heure où PILOT, CARMEN/CASOLBA et CLIMAT sont rapatriés vers Toulouse, retour sur leurs objectifs et sur les résultats déjà collectés.

PIlot : la mesure des poussières interstellaires

En 2013 prenait fin la mission PLANCK de l’ESA, dont l’objectif était de scruter la voûte céleste afin d'analyser le fond diffus cosmologique, cette lumière émise 380 000 ans après le Big-Bang. 

« Pour compléter et préciser les données recueillies par PLANCK, nous avons préparé, en parallèle une mission scientifique sous ballon, PILOT.  Son objectif est d’examiner certaines portions du ciel encore plus finement que PLANCK, et à une autre fréquence, afin de mieux caractériser le fond diffus cosmologique - Graal des scientifiques -  pour mieux comprendre l’histoire de l’Univers » explique Muriel Saccoccio, chef de projet PILOT.

Après un 1er vol depuis Timmins au Canada en 2015, le deuxième vol de PILOT vient d’être réalisé dans l’hémisphère Sud, qui présente un ciel différent, complémentaire de celui observé lors du 1er vol. Ce vol – depuis Alice Spring (Australie) a atteint 40 km d’altitude et a duré 33H40, ce qui représente un double record pour les ballons stratosphériques ouverts du CNES !

« L’un des principaux intérêts d’une mission scientifique sous ballon, c’est non seulement la rapidité avec laquelle on dispose des résultats, mais  aussi la capacité à faire revoler rapidement des expériences scientifiques dans d’autres conditions ou en complétant les mesures à dessein. Bref, une plus grande réactivité que dans le monde des expériences sur satellite et pour un coût modéré » explique Muriel Saccoccio.

L’instrument PILOT accompagné du senseur stellaire Estadius représentent un ensemble qui pèse environ 520kg. La nacelle scientifique complète pèse 1058kg, et vole sous un ballon de 800.000 m3. Elle a volé durant 33H40 lors de la campagne Austral 2017.

le rôle du CNES dans PILOT

Le CNES assure le financement, la maîtrise d'ouvrage, la responsabilité système ainsi que le développement de la nacelle et du senseur stellaire Estadius, qui assurent la restitution précise de l'instrument dans la direction souhaitée. L’IRAP est responsable du développement de l’instrument, avec le support du CNES. L’IAS fournit le photomètre, le CEA le plan focal, l’Université de Cardiff l’optique froide, et l’Université de Rome le mécanisme de changement de polarisation. Le centre ESTEC de l’ESA a participé aux études de lumière parasite de l’instrument et participera à l’analyse des données de ce vol.

CLIMAT : la physique/chimie de l’atmosphère pour horizon

Le vol CLIMAT (Combinaison de Lasers et d’Instrument in-situ de Mesure dans l’Atmosphère Terrestre) est un vol scientifique permettant d’embarquer un ensemble d’expériences de laboratoires français et européens qui ont pour but d’étudier la chimie et la physique de l’atmosphère.

La majeure partie des instruments fait partie intégrante de la nacelle. Seuls les modules Pico-SDLA H2O et H2O Strat sont respectivement placés au bout d'une sangle de 5 à 7m sous la nacelle et sur un mât horizontal fixé aux murs de la structure porteuse.

Lors de son vol en 2015, CLIMAT regroupait sur la même nacelle 12 instruments différents, de divers laboratoires français et européens, dédiés à la mesure in situ des variables climatiques essentielles CH4 (méthane), CO2 (dioxyde de carbone) et H20 (vapeur d’eau), et à la détection des aérosols.

Ce vol a permis l’intercomparaison et l’intercalibration des différents instruments mesurant les mêmes variables. La mesure des colonnes de méthane entre 0 et 15 km d’altitude a permis de noter une augmentation de 10% entre 2000 et 2015, donnée importante reprise dans le cadre de la COP21.

CLIMAT pèse 240kg et vole sous un ballon de 150 000 m3  à une altitude au plafond de 33 km. Il a volé 5H30 et effectué 2 heures de descente lente pilotée (de 33 à 17km) comme attendu par les scientifiques lors de la campagne Austral d’avril 2017.

Le rôle du CNES dans CLIMAT

Le CNES fournit la nacelle (charge utile) qui contient les instruments de CLIMAT et assure la certification d’ensemble vis-à-vis des règles de sauvegarde pour le vol. Il assure également l’acheminement de la nacelle scientifique sur le site de lâcher, les opérations de lâcher et de suivi de vol, ainsi que la récupération du ballon à l’issue du vol.

Casolba : l’Europe au soleil

La mission CASOLBA (Calibration solaire sous ballons) emporte 60 cellules solaires de 6 fabricants européens et américains. L’objectif est d’étalonner les cellules en conditions réelles quasi spatiales. Les cellules serviront d’étalons primaires à partir desquels seront produits des étalons secondaires utilisés dans l’industrie pour la production des cellules solaires des futurs satellites.

CASOLBA a pris place au sein de la nacelle CARMEN. Cette dernière permet d’emporter tout type d’instruments  scientifiques sous ballon stratosphérique.

Le vol CARMEN a duré 12H33,  avec 3 cycles de mesures : 2 au plafond à 35-36km d’altitude dont le passage à « midi solaire », puis un dernier cycle en fin de vol à 30km après une descente lente du ballon. Le vol de la nacelle pointée va permettre également de qualifier certains éléments de pointage fin en perspective du vol FIREBALL qui suivra.

La nacelle pèse 780kg, sous un ballon de 400 000 m3.

le rôle du CNES dans CASOLBA

La mission est conjointe CNES/ESA. La dernière mission CNES de mesures de performances des cellules solaires remonte à 2005.

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Gonflage d'un ballon stratosphérique Crédits : © CNES/LOUVEL Stephane, 2016
un ballon ou des ballons ? 

Il existe au moins 5 familles de ballons dédiés à la science et à la technologie :

  • les ballons stratosphériques ouverts (BSO), la filière historique des ballons, qui           sont à la fois  les plus anciens et les plus gros
  • les ballons pressurisés stratosphériques pour les voyages au long cours
  • les ballons couche limite et les aéroclippers, survolant les surfaces maritimes à         basse altitude
  • les ballons planétaires, aptes à tester les atmosphères de Mars ou de Vénus.

Le choix d’un ballon répond aux besoins particuliers de la mission à mener. Le poids des instruments embarqués, les expériences à effectuer, l’objet de l’étude, sont des critères déterminants. Les BSO, ballons dont la masse emportée peut atteindre plusieurs tonnes, sont les plus utilisés. Ils  peuvent s’élever à une altitude de 40km et voler plusieurs jours.

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Préparation du vol de la nacelle PILOT Crédits : © CNES/GRIMAULT Emmanuel, 2015
Le CNES et les ballons stratosphériques

Depuis plus de 50 ans, le CNES entretient une activité « ballons », une des plus importantes au monde. Il s’agit de faire voler principalement des ballons « libres », sans lien physique avec le sol, qui n’emportent jamais de passager mais uniquement des appareils au fonctionnement automatique.

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