La mission CryoSat de l’ESA fournit des données permettant de déterminer le taux précis de changement de l’épaisseur des calottes polaires et de la glace de mer flottante. Il est capable de détecter des changements d’à peine 1 cm par an. Les informations fournies par CryoSat permettent de mieux comprendre l’évolution du volume de glace sur Terre et, par conséquent, de mieux comprendre les liens entre glace et climat. Crédit : ESA – P. Carril
Le satellite CryoSat de l’ESA est passé à son système de propulsion de secours en novembre 2023 pour surmonter une fuite de carburant, prolongeant potentiellement sa mission de 5 à 10 ans. Ce satellite crucial contribue à la compréhension des changements dans les glaces polaires et des effets du réchauffement climatique, ses données éclairant les futures conceptions de satellites comme CRISTAL.
Le 21 novembre 2023, le satellite CryoSat de l’ESA est passé à son système de propulsion de secours après qu’une fuite de carburant ait menacé de mettre fin à la mission en 2025.
Cet échange pourrait potentiellement prolonger la durée de vie du satellite de 5 à 10 ans. Mais les propulseurs de secours n’avaient jamais été utilisés auparavant.
Si quelque chose les avait endommagés au cours des 13 années d’orbite de CryoSat, il y avait une petite chance que la mission prenne fin immédiatement après le changement.
Alors que le Groenland et l’Antarctique perdent des masses de glace, la plupart des glaciers du monde le sont également, mais il est difficile de mesurer la quantité de glace qu’ils perdent. Grâce au satellite CryoSat de l’ESA et à une manière révolutionnaire d’utiliser ses données, les scientifiques ont découvert que les glaciers du monde entier ont rétréci de 2 % au total en seulement 10 ans. Cela représente un total de 2 720 gigatonnes. On peut l’imaginer comme un glaçon géant, plus gros que la plus haute montagne d’Europe. Crédit : ESA/Visions Planétaires
Qu’est-ce que CryoSat ?
CryoSat est le satellite de l’ESA dédié à la mesure de l’épaisseur de la glace de mer polaire et à la surveillance des changements dans les calottes glaciaires qui recouvrent le Groenland et l’Antarctique.
La mission était conçue pour durer environ 5 ans. Il a désormais passé plus de 13 ans en orbite.
« Depuis 2010, CryoSat utilise son altimètre radar synthétique (SAR) pour surveiller la glace terrestre et marine partout sur Terre afin d’aider les scientifiques à démontrer le rôle important que joue la glace dans la régulation du climat et dans son impact sur le réchauffement climatique », explique Tommaso Parrinello, responsable de la mission CryoSat. .
« CryoSat est un cadeau qui continue à être offert. Son record climatique sur treize ans en matière de niveaux de glace et de mer à l’échelle mondiale est sans précédent, et puisse-t-il perdurer longtemps. »
Les points forts de la mission récente incluent la toute première carte annuelle de la glace de mer arctique et nos estimations les plus précises à ce jour du volume de glace perdu par les glaciers terrestres et les calottes glaciaires polaires. Ces données sont essentielles pour éclairer les rapports climatiques et les décideurs politiques.
Les données de CryoSat façonnent également la conception de nouveaux satellites de surveillance des glaces, tels que la mission Copernicus Polar Ice and Snow Topography Altimeter (CRISTAL).
Une maquette à l’échelle 1:30 du satellite de cartographie des glaces CryoSat de l’ESA à l’intérieur de la salle de contrôle du satellite. Les 21 et 22 novembre, alors que cette photographie était prise, les équipes du contrôle de mission de l’ESA ont demandé au satellite de passer à son système de propulsion de secours, car une fuite dans un propulseur principal menaçait de mettre fin prématurément à la mission. Crédit : ESA, CC BY-SA 3.0 IGO
Quel était le problème avec CryoSat ?
Afin de réaliser des mesures ultra précises de la Terre ou du cosmos, la plupart des satellites effectuent des manœuvres régulières pour les maintenir sur une orbite parfaite.
CryoSat utilise de l’azote comprimé pour manœuvrer dans l’espace. Le gaz est stocké à haute pression dans un réservoir de carburant et transporté via une série de tuyaux et de vannes jusqu’aux propulseurs. Les propulseurs libèrent le gaz dans l’espace, poussant ou faisant tourner le satellite dans n’importe quelle direction commandée.
La consommation de carburant ne devrait pas être un facteur limitant pour CryoSat. Mais en 2016, les opérateurs pilotant CryoSat au Centre européen des opérations spatiales (ESOC) de l’ESA à Darmstadt, en Allemagne, ont remarqué que le vaisseau spatial utilisait ses 37 kilogrammes d’azote comprimé beaucoup plus rapidement que prévu.
En novembre 2023, il restait à CryoSat 13 kg de carburant, soit 13 kg de moins que ce qu’il aurait dû sur la base de l’utilisation des propulseurs pour les manœuvres de maintien de l’orbite et le contrôle d’attitude.
Lorsque le réservoir de carburant descend en dessous de 5 kg, le satellite ne sera plus en mesure de contrôler de manière fiable la direction dans laquelle il pointe ni de maintenir son orbite.
Quelle est la cause de la fuite ?
Le propulseur à l’azote de CryoSat est stocké dans un réservoir de carburant à haute pression. Un régulateur de pression convertit l’air à haute pression en une pression beaucoup plus faible destinée aux propulseurs.
En collaboration avec les experts du fabricant du satellite, Airbus, l’équipe de l’ESA a localisé l’emplacement de la fuite sur l’un des plus petits propulseurs d’attitude de CryoSat.
Au début, le taux de fuite était faible, mais il a augmenté au cours des premières années et a atteint un taux stable qui amènerait encore la mission CryoSat à son terme en 2025.
Une explication à cela pourrait être qu’une petite fissure soit apparue quelque part et ait atteint une certaine taille avant de s’arrêter. Mais il est difficile de diagnostiquer ce genre de problème sur le terrain, et il est impossible d’en être sûr.
La station Kiruna de l’ESA est située à Salmijärvi, à 38 km à l’est de Kiruna, dans le nord de la Suède. Il comprend deux terminaux sophistiqués dotés d’antennes de 15 m et 13 m de diamètre pour communiquer avec les satellites en orbite terrestre, notamment CryoSat-2, Integral, le trio Swarm et Sentinel-1A. Crédit : ESA
Comment avez-vous sauvegardé le satellite ?
CryoSat dispose d’un système de propulsion secondaire de secours connecté à son réservoir de carburant.
Le 21 novembre, à 10h45 CET, les opérateurs de l’ESOC ont lancé le passage à ce système de secours, alors que CryoSat passait au-dessus de la station Svalbard sur l’île du Spitzberg et de la station Kiruna de l’ESA en Suède.
Tout d’abord, laissant les propulseurs principaux connectés, ils ont ouvert la vanne principale du système de propulsion de secours pour la première fois au cours des 13 années de CryoSat dans l’espace.
À l’ESOC en Allemagne, les ingénieurs d’exploitation du vaisseau spatial de CryoSat et l’équipe d’Airbus ont surveillé les écrans à mesure que la pression augmentait, à la fois à l’intérieur du système de propulsion de secours de CryoSat et dans la salle de contrôle sur Terre.
La pression dans le système de secours s’est stabilisée – indiquant qu’il ne souffrait pas de problèmes majeurs – et l’ordinateur de bord du satellite a reçu pour instruction d’utiliser les propulseurs de secours au lieu des propulseurs principaux qu’il utilise depuis le lancement.
Et puis… silence.
Les 21 et 22 novembre 2023, les équipes du centre de contrôle de mission ESOC de l’ESA à Darmstadt en Allemagne ont ajouté 5 à 10 années supplémentaires à la mission de cartographie des glaces CryoSat de l’ESA. Sur cette photo, des experts de l’ESA et du fabricant de CryoSat, Airbus, se réunissent autour d’un écran pour surveiller la pression à l’intérieur des systèmes de propulsion primaire et de secours. Crédit : ESA, CC BY-SA 3.0 IGO
CryoSat a été laissé seul alors qu’il survolait l’Afrique vers le sud, connecté et utilisant ses propulseurs de secours pour la première fois.
« Le système de sauvegarde de CryoSat est robuste et fonctionnerait probablement comme prévu », déclare Jens Lerch, responsable des opérations du vaisseau spatial CryoSat. « Et s’il y avait un problème, pendant le changement ou à tout moment dans le futur, le satellite est capable de revenir de manière autonome à son système principal. »
«Mais nous ne pouvions pas en être sûrs. Cette sauvegarde n’a pas été nécessaire depuis 13 ans que CryoSat est dans l’espace. Pendant ce temps, il aurait pu subir une fuite similaire ou être endommagé par quelque chose comme un micrométéoroïde – et nous n’avions aucun moyen de le tester auparavant sans nous exposer aux mêmes risques auxquels nous sommes confrontés aujourd’hui.
Heureusement, 25 minutes plus tard, CryoSat s’est élevé au-dessus de l’horizon de la station au sol Troll en Antarctique, entièrement fonctionnelle.
Une fois le bon fonctionnement des propulseurs de contrôle d’attitude de secours confirmé, la vanne principale des propulseurs primaires a été fermée pour arrêter le flux de gaz à travers la fuite.
Le lendemain, le 22 novembre, l’équipe de contrôle de vol de l’ESA a effectué une « manœuvre de contrôle orbital » pour tester les deux plus gros propulseurs du système de secours.
Aucun problème n’ayant été détecté pendant ou après la manœuvre, les propulseurs de secours de CryoSat sont désormais officiellement mis en service et le satellite est capable de poursuivre ses activités scientifiques jusqu’à la fin de la décennie et peut-être au-delà.
Attendez, la fuite a été détectée en 2016. Pourquoi attendre jusqu’à maintenant pour agir ?
À tout moment depuis son lancement, CryoSat a eu la possibilité de passer à son système de propulsion de secours si son ordinateur de bord détectait un problème majeur soudain avec le système principal.
Mais réagir à une fuite lente représente une décision plus difficile que réagir à une fuite rapide qui doit être traitée immédiatement, voire de manière autonome par le satellite.
CryoSat a collecté sept années de précieuses données cartographiques des glaces entre 2016 et 2023. Si les opérateurs avaient immédiatement basculé vers les propulseurs de secours et qu’une série de problèmes très improbables s’étaient produits lors de la reconfiguration, ces données n’auraient jamais existé.
Mais plus ils attendaient, plus le carburant s’échappait dans l’espace et moins ils pouvaient gagner d’années supplémentaires en effectuant cet échange.
Le 21 novembre 2023 a été choisi comme jour permettant d’équilibrer ces deux facteurs.
Avec un lancement prévu en 2027, la mission Copernicus Polar Ice and Snow Topography Altimeter, CRISTAL, transportera, pour la première fois, un altimètre radar à double fréquence et un radiomètre à micro-ondes, qui mesureront et surveilleront l’épaisseur de la glace de mer et de la neige sus-jacente. la profondeur et l’élévation de la calotte glaciaire.
Et ensuite ?
Le passage aux propulseurs de secours de CryoSat a été un succès. Mais on ne sait pas encore exactement dans quelle mesure cela pourrait prolonger la mission.
Ce n’est qu’en surveillant les réserves de carburant au cours des prochains jours et semaines que l’équipe CryoSat saura s’il y a des fuites ou des problèmes plus mineurs dans le système de secours.
Dans le meilleur des cas, cette opération pourrait s’avérer inestimable pour l’étude des glaces polaires de l’humanité.
CryoSat a joué un rôle clé dans ce que certains ont appelé « l’âge d’or de l’altimétrie par satellite ». Parmi une flotte impressionnante, son altimètre radar est unique en ce qu’il est capable de surveiller les niveaux de glace et d’eau dans toutes les régions du globe.
CRISTAL, successeur naturel de CryoSat, ne devrait pas être lancé avant quelques années. L’extension des observations de CryoSat comblerait le fossé et maintiendrait le plus long record ininterrompu de changement de glace mondiale que nous ayons jamais eu.
Parallèlement, une nouvelle collaboration avec NASALe satellite de surveillance des glaces ICESat-2, qui combine les orbites d’ICESat-2 et de CryoSat pour cartographier la neige sur la glace – une cause importante d’incertitude dans nos estimations – pourrait améliorer la précision des mesures satellitaires du volume de glace.
Les résultats seront également directement applicables aux futures missions sur glace, notamment CRISTAL.
Grâce aux améliorations constantes apportées aux produits de données de CryoSat, qui couvrent non seulement la glace de mer et la glace terrestre, mais aussi les océans polaires, les océans côtiers et les eaux intérieures, la mission sur les glaces de l’ESA a encore beaucoup à offrir.
