Etude Senseurs Electromagnétiques pour EJSM/Laplace

L’objectif de l’étude Senseurs Electromagnétiques pour EJSM est d’effectuer une étude comparative des différents senseurs électriques et magnetiques et d’évaluer leur pertinence et leur efficacité dans l’environnement de Jupiter et de Ganymede, afin d’optimiser le retour scientifique de l’expérience RPWI (Radio and Plasma Waves Investigation) sur EJSM/JGO. Cette étude est menée dans le cadre de la préparation à la mission EJSM, engagée par l’ESA pour l’année 2009-2010.

Une collaboration Internationale

Cette étude rassemble toutes les équipes mondiales impliquées dans la conception et la réalisation d’instrumentation radio (électrique et/ou magnétique) spatiale.

Senseurs Electriques et Magnétiques

Le PDD (Payload Definition Document ou document de définition de la charge utile scientifique) de EJSM/JGO inclut un instrument RPWI (Radio and Plasma Waves Investigation). Cet instrument comporte quatre types de senseurs (3 jeux de senseurs électriques et et 1 jeu de senseurs magnétiques) permettant de sonder différentes gammes de fréquence, et différentes observables du plasma local. Au cours de cette étude, nous avons étendu la liste des senseurs, afin de couvrir tout le champs des mesures électriques et magnétiques envisageables dans l’environnement de Jupiter. Les différents types de récepteurs seront aussi discutés.

Sept types de senseurs ont été étudiés :

– Antennes électriques courtes Un trièdre orthogonal de dipôles électriques courts (L≈1m). Inclus dans le PDD. Ces antennes sont adaptées aux mesures goniopolarimétrique aux plus hautes fréquences du spectre jovien (≈40MHz). Elles sont cependant peu sensibles du fait de leur petite taille. Des antennes de plus grande taille (L≈2 à 3m) sont envisagées afin d’augmenter leur sensibilité.

– Antennes électriques longues Un dipôle électrique long (L=5 à 10m). Inclus dans le PDD. Possiblement, l’antenne radar de l’instrument SSR (Sub-Surface Radar). Ce type d’antenne est très sensible, mais sont diagramme de réception devient complexe au dessus de ∼2 MHz, rendant plus difficile les étude à plus haute fréquence. Il permet aussi de mesurer les paramètres locaux du plasma par spectroscopie du bruit quasi-thermique, si l’antenne est assez longue et assez fine. Une option envisagée est d’utiliser le dipôle dédié à l’instrument SSR.

– Search Coil Un capteur magnétique bi-bande couvrant la gamme 0.1 Hz à quelques centaines de kHz. Inclus dans le PDD. Ce capteur est composé de deux enroulements d’une dizaine de centimètres de long et d’une quinzaine de millimètres de diamètre, autour d’un noyau magnétique. Ce capteur pourrait être placé en trois exemplaire pour sonder trois composantes perpendiculaires du champ magnétique. Ce type de capteur permet d’observer les émissions radio très basses fréquences ainsi que les ondes de plasmas locales.

– Boucles magnétiques haute fréquence Une boucle magnétique haute fréquence couvrant la gamme 100 kHz à 40 MHz. Ce capteur est composé d’un enroulement magnétique fin d’environ 30 cm de diamètre. Ce capteur n’est pas inclus dans le PDD, mais serait très complémentaire aux senseurs électriques pour les mesures radio.

– Sonde de Langmuir Un système actif (qui polarise le milieu en imposant un courant entre deux éléments distants) composé d’antennes électriques de type boule placées au bout de bras. Inclus dans le PDD. Ce capteur permet de mesurer la densité du plasma et les fluctuations très basses fréquences du champ électrique (de l’ordre du Hz). Il donne aussi une mesure du potentiel flottant du satellite. Afin de fonctionner efficacement, une sonde de Langmuir doit être placée à une distance suffisante du corps du satellite. Idéalement, il faut que cette distance soit plus grande que la longueur de Debye du milieu, mais on peut se contenter de la placer en dehors de la gaine et du sillage de plasma du satellite. Quatre sondes de Langmuir sont prévues dans la version actuelle du PDD, ce qui permet d’effectuer des mesures électriques sur trois dimensions, mais cela permet aussi d’avoir toujours deux sondes en dehors du sillage de plasma du satellite.

– Boucle de Rogowsky Un enroulement magnétique qui permet de mesurer les fluctuations de courant dans la direction perpendiculaire à la boucle. Ce capteur n’est pas inclus dans le PDD, mais apporterait des mesures essentielles dans la phase orbitale finale de EJSM/JGO, lorsque la sonde sera en orbite circulaire autour de Ganymède, à une altitude telle qu’elle sera dans l’ionosphère du satellite.

– Sonde à impédance mutuelle Une instrumentation active qui permet le sondage du milieu en mesurant son impédance, lorsque l’on le soumet à des stimuli électriques. Ce système n’est pas inclus dans le PDD. Il permettrait de calibrer les positions des sondes de Langmuir.

Objectifs de l’étude

Le rapport qui sera produit en Août 2010 contiendra un comparatif des différents senseurs. Il a été décidé de restreindre le champ d’application de l’étude aux senseurs électriques et magnétiques haute fréquence, considérant que les senseurs proposés dans le PDD sont satisfaisant pour la partie basse fréquence. Un ensemble de senseur optimal sera proposé à l’ESA.

Le rapport contiendra aussi une proposition de plan ’EMC’ (Electro-Magnetic Cleanliness) qui devra caractériser les contraintes en terme de propreté électromagnétique pour les instruments embarqués sur EJSM/JGO. Ce document sera rédigé en commun avec l’équipe du magnétomètre qui étudiera le champ magnétique continu.

Deux autres documents annexes seront inclus dans le rapport : un document décrivant les synergies entre l’instrument RPWI et les autres instruments, en terme de retour scientifique ; et un document décrivant les contraintes imposées par les émissions radio joviennes naturelles sur les mesures radar du sous-sol des satellites Galiléens.

Liens

– Etude Senseurs Electromagnétiques EJSM (Accès restreint)

– Mission EJSM/Laplace (ESA)

– Appel pour les études de phase A de l’ESA pour les missions de classe L du programme Cosmic Vision