3 instruments à bord dédiés à l’observation du champ magnétique

Chacun des 3 satellites de la constellation de la mission SWARM emporte 3 instruments dédiés à l’observation du champ magnétique.

Les 3 instruments sont :

• Le magnétomètre ASM (Absolute Scalar Magnetometer). Il mesure la force du champ magnétique avec grande précision. Ses mesures servent à étalonner l’instrument VFM. C’est un instrument absolu : ses paramètres internes ne changent pas au cours du temps.

• L’instrument de mesure de champ électrique EFI (Electrical Field Instrument). Il est composé de deux sous-systèmes : LP (Langmuir Probe) et TII (Thermal Ion Imager). Cet instrument mesure la densité des électrons, leur température et le potentiel électrique du satellite. Il mesure les caractéristiques du déplacement des ions et de leur vitesse avec une grande précision afin de déterminer quel est le champ électrique autour de la Terre.

• Le magnétomètre VFM (Vector Field Magnetometer). C’est l’instrument principal de la mission. Il produit des mesures de grande précision de la magnitude et la direction du champ magnétique, c’est-à-dire son vecteur. L’orientation de ce vecteur est déterminée par le sous-système appelé Star Tracker Assembly, qui fournit des données concernant l’attitude du satellite.

Des magnétomètres révolutionnaires

La précision scalaire absolue de l'ASM est en effet meilleure que 65 pT, ce qui représente un millionième de la grandeur à mesurer. Ces instruments ASM fournissent les données d'intensité de champ de référence de la mission, et servent à calibrer les données vectorielles du champ fournies par l'association des instruments VFM couplés aux caméras stellaires STR. En raison de son rôle crucial pour la mission, l'ASM est entièrement redondé sur SWARM (redondance froide).

Conçu par le CEA-Leti à Grenoble et fourni par le CNES, qui a par ailleurs contribué à la spatialisation de cet instrument, ce magnétomètre scalaire de nouvelle génération améliore les performances et supprime les limitations des sondes à résonnance magnétique nucléaire (RMN) à précession de protons utilisées pour les missions Ørsted et CHAMP (sondes des magnétomètres scalaires Overhauser du CEA-Leti, développés en collaboration avec le CNES pour Ørsted).

Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement du magnétomètre scalaire (ASM) est basé sur la spectroscopie atomique de l'Hélium 4.

Il exploite l'effet Zeeman, le signal étant amplifié par une technique de pompage optique des atomes d'Hélium 4. Cette technologie innovante lui confère une sensibilité et des performances inégalées, identiques en tout point de l'orbite.

Ces mesures sont absolues, c'est-à-dire sans dérive ni biais, en raison du principe de la mesure, ce qui permet d'utiliser ce magnétomètre en tant que référence magnétique pour la mission SWARM. Véritable condensé de technologies, le défi majeur résidait dans la qualification pour l'utilisation spatiale de ses composants, dont notamment une source laser à fibre et un moteur piézoélectrique a-magnétique. Ces technologies ont été embarquées pour la première fois sur SWARM.

Le choix et la qualification de matériaux a-magnétiques a également été un challenge, le PEEK pur (un polymère non chargé) a ainsi été sélectionné. C'est la première fois que ce matériau était utilisé dans une application spatiale pour réaliser entièrement une structure mécanique complexe, incluant des capteurs composés de nombreuses pièces dont une partie mobile et des vis contribuant à la tenue mécanique.

L'ASM fournit en routine un jeu de mesures par seconde. Cependant, il est aussi capable de fournir des mesures scalaires à une fréquence de 250 Hz. Cette faculté a été exploitée en début de vie pour analyser le contenu spectral du champ magnétique au-delà de 1 Hz, jusqu’alors mal connu.

Des mesures vectorielles absolues

Grâce à un concept innovant, cet instrument permet également de réaliser des mesures vectorielles absolues, autrement dit de mesurer de manière absolue les composantes du champ magnétique selon trois directions perpendiculaires. Ceci en fait le premier instrument capable de réaliser des mesures scalaires et vectorielles simultanément au même point, avec une excellente stabilité. SWARM offre ainsi une opportunité unique de valider ce concept dans l'environnement spatial.

Les données vectorielles expérimentales de l'ASM peuvent  être comparés pour validation avec celles, nominales, du VFM. Les résultats permettent aussi de vérifier la qualité des données nominales de la mission, et ouvrent des perspectives particulièrement intéressantes pour les futures missions de magnétométrie spatiale. Celles-ci pouvant alors s'affranchir de la nécessité d'embarquer à la fois un magnétomètre scalaire absolu et un magnétomètre vectoriel relatif.

Un "observatoire terrestre automatique" dérivé de l'ASM

Un des modèles d'ingénierie de l'ASM a été adapté pour réaliser un prototype de magnétomètre automatique destiné aux observatoires terrestres. Le mode vectoriel a été optimisé pour obtenir des performances comparables à celles des magnétomètres à saturation de flux actuellement utilisés dans ces installations.

Ce prototype a l'avantage d'offrir une stabilité qui évite de le calibrer pendant un an, alors que les équipements actuels des observatoires nécessitent une calibration plusieurs fois par semaine.

Ce prototype, développé en collaboration avec le CEA-Leti, le CNES et l'IPGP a été testé à l'observatoire magnétique de l'IPGP à Chambon-La-Forêt, dans le Loiret. La validation de cet instrument est une opportunité pour envisager d'installer des observatoires terrestres dans des zones lointaines difficiles d'accès, permettant de compléter les mesures de la constellation SWARM.