L'industrie spatiale en plein essor et la société des technologies s'appuient de plus en plus sur les réseaux électriques, l'aviation et les télécommunications – sont tous vulnérables à la même menace: le temps spatial.
La météo spatiale englobe toutes les variations de l'environnement spatial entre le soleil et la terre. Un type d'événement météorologique spatial commun est appelé éjection de masse coronale interplanétaire.
Ces éjections sont des faisceaux de champs magnétiques et de particules qui proviennent du soleil. Ils peuvent voyager à des vitesses allant jusqu'à 1 242 miles par seconde (2 000 kilomètres par seconde) et peuvent provoquer des tempêtes géomagnétiques.
Ils créent de beaux écrans Aurora – comme les lumières du Nord que vous pouvez parfois voir dans le ciel – mais peuvent également perturber les opérations par satellite, arrêter le réseau électrique et exposer les astronautes à bord des futures missions équipées à la lune et Mars à des doses mortelles de rayonnement.
Je suis un expert en héliophysicien et météo spatial, et mon équipe dirige le développement d'une constellation par satellite de nouvelle génération appelée Swift, qui est conçue pour prédire à l'avance des événements météorologiques spatiaux potentiellement dangereux. Notre objectif est de prévoir les temps de l'espace extrême plus précisément et plus tôt.
Les dangers du temps spatial
Les intérêts commerciaux constituent désormais une grande partie de l'exploration spatiale, en se concentrant sur le tourisme spatial, en construisant des réseaux satellites et en travaillant à l'extraction de ressources de la lune et des astéroïdes à proximité.
L'espace est également un domaine critique pour les opérations militaires. Les satellites offrent des capacités essentielles pour la communication militaire, la surveillance, la navigation et le renseignement.
Alors que des pays comme les États-Unis dépendent des infrastructures dans l'espace, les événements météorologiques de l'espace extrême représentent une plus grande menace. Aujourd'hui, la météo spatiale menace jusqu'à 2,7 billions de dollars d'actifs dans le monde.
En septembre 1859, l'événement météorologique spatial enregistré le plus puissant, connu sous le nom d'événement Carrington, a provoqué des incendies en Amérique du Nord et en Europe en suraliquant les lignes télégraphiques. En août 1972, un autre événement de type Carrington a presque frappé les astronautes en orbite autour de la lune. La dose de rayonnement aurait pu être mortelle. Plus récemment, en février 2022, SpaceX a perdu 39 de ses 49 satellites StarLink nouvellement lancés en raison d'un événement météorologique spatial modéré.
Les moniteurs météorologiques spatiaux d'aujourd'hui
Les services météorologiques de l'espace reposent fortement sur des satellites qui surveillent le vent solaire, qui est constitué de lignes de champ magnétiques et de particules provenant du soleil, et communiquent leurs observations à Terre. Les scientifiques peuvent ensuite comparer ces observations avec des enregistrements historiques pour prédire la météo spatiale et explorer comment la Terre peut réagir aux changements observés dans le vent solaire.
Le champ magnétique de la Terre protège naturellement les êtres vivants et les satellites en orbite de la Terre de la plupart des effets néfastes de la météo spatiale. Cependant, les événements météorologiques de l'espace extrême peuvent se comprimer – ou dans certains cas, se décoller – le bouclier magnétique de la Terre.
Ce processus permet aux particules de vent solaire de faire partie de notre environnement protégé – la magnétosphère – exposant des satellites et des astronautes à bord des stations spatiales dans des conditions difficiles.
La plupart des satellites qui surveillent en continu l'espace lié à la terre orbitent relativement près de la planète. Certains satellites sont positionnés en orbite terrestre basse, à environ 100 miles (161 kilomètres) au-dessus de la surface de la Terre, tandis que d'autres sont en orbite géosynchrone, à environ 25 000 miles (40 000 km).
À ces distances, les satellites restent dans le bouclier magnétique protecteur de la Terre et peuvent mesurer de manière fiable la réponse de la planète aux conditions météorologiques spatiales. Cependant, pour étudier plus directement le vent solaire entrant, les chercheurs utilisent des satellites supplémentaires situés plus en amont – des centaines de milliers de kilomètres de la Terre.
Les États-Unis, l'agence spatiale européenne et l'Inde exploitent tous des satellites de surveillance météorologique spatiaux positionnés autour du point L1 Lagrange – à 900 000 milles (1 450 000 km) de la Terre – où les forces gravitationnelles du Soleil et de la Terre. De ce point de vue, les moniteurs météorologiques de l'espace peuvent fournir jusqu'à 40 minutes d'avertissement préalable pour les événements solaires entrants.
AVERTISSEMENT AVANCE POUR TEMPS SPACE
L'augmentation du temps d'avertissement au-delà de 40 minutes – le temps d'avertissement actuel – aiderait les opérateurs satellites, les planificateurs de la grille électrique, les directeurs des vols, les astronautes et les officiers de la force spatiale à se préparer à des événements météorologiques spatiaux extrêmes.
Par exemple, pendant les tempêtes géomagnétiques, l'atmosphère se réchauffe et se dilate, augmentant la traînée des satellites en orbite terrestre basse. Avec suffisamment d'avertissement préalable, les opérateurs peuvent mettre à jour leurs calculs de traînée pour empêcher les satellites de descendre et de brûler lors de ces événements. Avec les calculs de traînée mis à jour, les opérateurs de satellites peuvent utiliser les systèmes de propulsion des satellites pour les manœuvrer plus haut en orbite.
Les compagnies aériennes pourraient modifier leurs voies pour éviter d'exposer les passagers et le personnel à des doses de rayonnement élevées pendant les tempêtes géomagnétiques. Et les futurs astronautes sur le chemin ou le travail sur la lune ou Mars, qui manquent de protection contre ces particules, pourraient être alertés à l'avance pour se cacher.
Aurora Lovers apprécierait également d'avoir plus de temps pour se rendre à leurs destinations de vision préférées.
La frontière de l'enquête météorologique de l'espace
Mon équipe et moi avons développé une nouvelle constellation par satellite météorologique spatiale, nommée Frontier Space Weather Investigation. Swift sera, pour la première fois, un moniteur météorologique spatial au-delà du point L1, à 1,3 million de miles (2,1 millions de kilomètres) de la Terre. Cette distance permettrait aux scientifiques d'informer les décideurs de tout événement météorologique de l'espace lié à la Terre jusqu'à près de 60 minutes avant l'arrivée.
Les satellites avec des systèmes de propulsion chimique et électriques traditionnels ne peuvent pas maintenir une orbite à cet endroit – plus loin de la Terre et plus près du soleil – pendant longtemps. En effet, ils auraient besoin de brûler en continu du carburant pour contrer l'attraction gravitationnelle du soleil.
Pour résoudre ce problème, notre équipe a passé des décennies à concevoir et à développer un nouveau système de propulsion. Notre solution est conçue pour atteindre abordable une distance plus proche du Soleil que le point L1 traditionnel, et pour y fonctionner de manière fiable pendant plus d'une décennie en exploitant une ressource abondante et fiable – un peu de lumière.
Swift utiliserait un système de propulsion sans furieux appelée voile solaire pour atteindre son orbite. Une voile solaire est une surface réfléchissante mince des cheveux – simulant un miroir très mince – qui s'étend sur environ un tiers d'un terrain de football. Il équilibre la force des particules légères provenant du soleil, qui la repousse, avec la gravité du soleil, qui la tire vers l'intérieur.
Alors qu'un voilier exploite l'ascenseur créé par le vent qui coule au-dessus de ses voiles incurvées pour se déplacer à travers l'eau, une voile solaire utilise l'élan des photons à partir du soleil, réfléchi sur sa grande voile brillante, pour propulser un vaisseau spatial dans l'espace. Le voilier et la voile solaire exploitent le transfert d'énergie de leur environnement respectif pour stimuler le mouvement sans s'appuyer sur les propulseurs traditionnels.
Une voile solaire pourrait permettre à Swift de pénétrer une orbite sous-l1 par ailleurs instable sans risque de manquer de carburant.
La NASA a lancé avec succès sa première voile solaire en 2010. Cette démonstration en espace, nommée Nanosail-D2, a présenté un pied de 107 pieds carrés (10 m2 ) voile et a été placé en orbite terrestre basse. La même année, l'agence spatiale japonaise a lancé une plus grande mission de voile solaire, Ikaros, qui a déployé un 2 110 pieds2 (196 m2 ) naviguer dans le vent solaire et réussir Vénus orbit.
La Planetary Society et la NASA ont suivi par le lancement de deux voiles en orbite terrestre basse: Lightsail, avec une superficie de 344 pieds2 (32 m2 ), et le système de voile solaire composite avancé, avec une superficie de 860 pieds2 (80 m2 ).
La mission de démonstration de voile solaire de l'équipe Swift, Solar Cruiser, sera équipée d'une voile beaucoup plus grande – il aura une superficie de 17 793 pieds2 (1 653 m2 ) et nous lancer dès 2029. Nous avons réussi à déployer un quadrant de la voile sur Terre au début de l'année dernière.
Pour le transporter dans l'espace, l'équipe se pliera méticuleusement et emballera étroitement la voile à l'intérieur d'une petite cartouche. Le plus grand défi à surmonter sera de déployer la voile une fois dans l'espace et de l'utiliser pour guider le satellite le long de son chemin orbital.
En cas de succès, Solar Cruiser ouvrira la voie à la constellation de Swift de quatre satellites. La constellation comprendrait un satellite équipé de propulsion de voile, réglé pour être placé sur une orbite au-delà de L1, et trois satellites plus petits avec propulsion chimique en orbite au point Lagrange L1.
Les satellites seront stationnés indéfiniment à et au-delà de L1, collectant des données dans le vent solaire sans interruption. Chacun des quatre satellites peut observer le vent solaire à partir de différents endroits, aidant les scientifiques à mieux prédire comment il peut évoluer avant d'atteindre la Terre.
Comme la vie moderne dépend davantage de l'infrastructure spatiale, continuer à investir dans la prédiction météorologique spatiale peut protéger à la fois les technologies basées sur l'espace et le sol.
