Les clés pour faire face aux évènements météorologiques (extrêmes) spatiaux
La vulnérabilité des satellites à la météorologie spatiale n'appartient en aucun cas au passé. Le dernier événement majeur s'est produit en 2003: du 29 au 31 octobre, des tempêtes solaires surnommées tempêtes de Halloween ont perturbé le fonctionnement de 47 satellites et détruit un satellite japonais d'une valeur de 640 millions de dollars, suscitant une vague d'inquiétude auprès des gouvernements, des opérateurs de satellite et d'autres parties prenantes comme les compagnies d'assurance. Mais si ces évènements se sont produits il y a près de 15 ans, d'autres évènements plus récents tels que les dysfonctionnements de l'horloge atomique de Galileo ou la perte d'un satellite kazakh fin mars 2017, qui font toujours l'objet d'une enquête, peuvent avoir été causés par des rayonnements liés à la météorologie spatiale. «La météorologie spatiale peut provoquer des interruptions de service pendant des périodes de plusieurs semaines, voire plusieurs mois, ce qui peut être très coûteux pour les opérateurs de satellites. Dans le cas de KazSat-2, nous savons que l'incident est survenu lorsque les ceintures de radiations se sont renforcées, et il ne s'agit que de l'exemple le plus récent. Après toutes ces années et l'expérience acquise, la réalité est que les satellites subissent toujours des dégâts, probablement causés par des évènements de météorologie spatiale», déclare le professeur Richard Horne, responsable scientifique de la British Antartic Survey et coordinateur du projet SPACESTORM (Modelling space weather events and mitigating their effects on satellites). SPACESTORM est né de plusieurs constats: il est possible d'améliorer les modèles existants de prévision de météorologie spatiale; nous n'en savons pas assez au sujet des effets de la météorologie spatiale sur les orbites terrestres hautes et moyennes; et les parties prenantes devraient pouvoir prendre des décisions plus éclairées quant à la façon de concevoir les satellites. Enfin, le consortium voulait répondre à la question que la plupart des parties prenantes n'osent pas se poser: combien de satellites seront perdus lorsqu'un évènement météorologique spatial extrême se produira? Pour répondre à cette question, le professeur Horne et son équipe ont décidé de s'intéresser à la constellation Galileo. «Les informations sur la conception des engins spatiaux Galileo et leur protection contre les radiations sont extrêmement confidentielles, comme pour la plupart des engins commerciaux, et il est donc très difficile de les évaluer», explique-t-il. «Nous avons donc tenté d'élaborer ce que nous pensons être l'environnement en orbite terrestre moyenne, là où évoluent les satellites Galileo. Nous avons calculé le spectre électronique correspondant au pire des cas, et cherché à établir le niveau de blindage nécessaire à la protection du satellite.» Des calculs similaires ont été faits pour l'orbite géostationnaire, en utilisant une analyse statistique des données existantes ainsi que le propre modèle physique du projet. «Il est remarquable que ces deux méthodes totalement différentes aient produit un résultat très similaire, ce qui nous rend plutôt confiant quant à notre approche», déclare le professeur Horne. «Nous avons déterminé que le flux tend vers une valeur de seuil comprise entre 5 x 105 et 2 x 106 cm-2 s-1 sr-1. Cela correspond à un courant compris entre 1 et 4 pA cm-2, ce qui dépasse d'un facteur 10 les recommandations de la NASA.» En fonction de ces résultats, l'équipe a établi que les concepteurs devraient presque doubler le blindage de leurs satellites pour être certains qu'ils survivent à un évènement de météorologie spatiale extrême. «Bien sûr, la décision est entre les mains du directeur des opérations», souligne le professeur Horne. «On peut le faire, mais cela aurait un impact considérable sur le coût des lancements. Alors que la communauté scientifique estime que la probabilité d'un évènement extrême correspond à une occurrence tous les 100 ou 150 ans, la question est la suivante: votre entreprise veut-elle prendre en compte ce type d'évènement ou non?» Étudier les évènements passés pour prévoir ceux à venir Une autre contribution essentielle du projet est qu'il permet de mieux comprendre l'ensemble des évènements météorologiques spatiaux, à la fois dans le passé et dans le futur. L'équipe a travaillé en collaboration étroite avec des entreprises, les gouvernements et l'Agence spatiale européenne pour s'assurer qu'ils comprennent les risques et puissent prendre des décisions éclairées sur la meilleure façon de procéder. Pour rendre cela possible, elle a développé des modèles de ceinture de radiations et reconstitué 30 années d'environnement de radiations pour l'intégralité de la ceinture de radiations extérieure, y compris les orbites terrestres basse et moyenne, sur lesquelles on n'avait jusqu'à présent que peu de données. Tout cela avec une bien plus grande précision que ce qui était auparavant possible. «Nous avons testé notre reconstruction en la comparant avec les données que nous avions pour quelques périodes en orbite terrestre moyenne, par exemple les données de GIOVE, et nous obtenu un indice de performance Heidke d'environ 0,7. L'indice de performance Heidke détermine la pertinence de votre prévision par rapport à 1: un score de 1 correspond à une prévision parfaite, et 0 correspond à une mauvaise prévision. Notre indice est plutôt bon», estime le professeur Horne. Les compagnies d'assurance expriment déjà leur intérêt pour ces modèles permettant d'examiner à quoi ressemblait l'environnement radioactif lorsque des évènements météorologiques spatiaux se sont produits dans le passé. Cerise sur le gâteau, le projet a créé un site web de prévision capable de prévoir les modifications de la ceinture de radiations jusqu'à trois heures à l'avance. Combiné avec des prévisions des conséquences sur les engins, le site web peut fournir un indicateur de risque pour les quatre principaux risques météorologiques spatiaux affectant les satellites. «Si les opérateurs de satellites savent à partir d'une prévision que leurs satellites vont courir un risque élevé, ils peuvent peut-être retarder des manœuvres, retarder une mise à jour de logiciel, solliciter plus de personnel ou augmenter immédiatement les capacités de transmission», déclare le professeur Horne. Les partenaires du projet d'ONERA en France sont allés plus loin en effectuant de nouvelles expériences sur les principaux matériaux utilisés dans les satellites. Leur objectif: déterminer si les actuelles méthodes utilisées en laboratoire et qui consistent à exposer des matériaux à un rayonnement intense pendant de courtes périodes, peuvent réellement représenter les effets d'une exposition de longue durée, pouvant atteindre 15 ans, dans l'espace. «Il est rapidement apparu que les propriétés électriques sont très importantes», déclare le professeur Horne. «L'irradiation de certains matériaux comme les câbles en Kapton modifie leur conductivité, et les essais d'exposition au rayonnement réalisés en laboratoire doivent être complétés par d'autres expériences sur le matériau lui-même.» Une entreprise commerciale a déjà commencé à utiliser les résultats du projet lorsqu'elle a décidé quel type de satellite elle devait acheter, et le professeur Horne estime que cela incitera finalement à la conception d'une nouvelle génération de matériaux. Avec de nouvelles technologies comme les émetteurs passifs et la propulsion électrique, qui changeront respectivement la façon de charger les satellites et la durée pendant laquelle ils resteront exposés aux radiations, les résultats de SPACESTORM continueront à s'avérer très utiles dans un avenir proche. Alors que le projet est maintenant achevé, les prévisions seront développées dans le cadre d'un nouveau projet financé par l'ESA et l'équipe travaille déjà à leur amélioration, afin de pouvoir effectuer des prévisions météorologiques spatiales jusqu'à 24 heures à l'avance.
Mots‑clés
SPACESTORM, GPS, Galileo, blindage, matériaux, ingénierie, satellite, orbite terrestre basse, géostationnaire, évènements météorologiques spatiaux, radiations, ESA, prévision