Le dernier satellite international de l’eau emballe un poinçon d’ingénierie

Découvrez le cœur scientifique de la mission Surface Water and Ocean Topography, qui verra l’eau de la Terre dans une définition plus élevée que jamais.

Prévue pour un lancement le jeudi 15 décembre, la topographie des eaux de surface et des océans (SWOT) Satellite promet de fournir une comptabilité extraordinaire de l’eau sur une grande partie de la surface de la Terre. Ses mesures de l’eau douce et de l’océan aideront les chercheurs à répondre à certaines des questions climatiques les plus urgentes de notre époque et aideront les communautés à se préparer à un monde qui se réchauffe. Rendre cela possible est un instrument scientifique appelé interféromètre radar en bande Ka (KaRIn).

Après des années de développement, l’instrument a été conçu pour capturer des mesures très précises de la hauteur de l’eau dans les masses d’eau douce de la Terre et dans l’océan. KaRIn mesurera la hauteur de l’eau dans l’océan, “voyant” des caractéristiques telles que des courants et des tourbillons de moins de 20 kilomètres de diamètre, soit jusqu’à 10 fois plus petits que ceux détectables avec d’autres satellites au niveau de la mer. Il collectera également des données sur les lacs et les réservoirs de plus de 15 acres (62 500 mètres carrés) et les rivières de plus de 330 pieds (100 mètres) de diamètre.

“Pour l’eau douce, ce sera un quel saut en termes de connaissances », a déclaré Daniel Esteban-Fernandez, responsable des instruments KaRIn au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. Par exemple, les chercheurs ne disposent actuellement de bonnes données que sur quelques milliers de lacs dans le monde. SWOT augmentera ce nombre à moins un million.

L’instrument de pointe KaRIn est au cœur de cette mission internationale, la dernière d’une collaboration de longue date entre la NASA et le Centre national d’études spatiales (CNES), avec la contribution de l’Agence spatiale canadienne (ASC) et du Agence spatiale britannique.

Une image plus grande

Jusqu’à présent, les chercheurs qui cherchaient à étudier une masse d’eau s’appuyaient sur des instruments qui mesurent à des endroits spécifiques – comme des jauges dans les rivières ou l’océan – ou qui sont basés dans l’espace, recueillant des données le long de “traces” étroites de la Terre qu’ils peuvent voir depuis l’orbite. Les chercheurs doivent ensuite extrapoler s’ils veulent avoir une idée plus large de ce qui se passe dans un plan d’eau.

KaRIn est différent. La instrument radar utilise la fréquence de la bande Ka à l’extrémité micro-ondes du spectre électromagnétique pour pénétrer la couverture nuageuse et l’obscurité de la nuit. En conséquence, il peut prendre des mesures indépendamment de la météo ou de l’heure de la journée.

La configuration de l’instrument consiste en une antenne à chaque extrémité d’une perche de 33 pieds (10 mètres) de long. En faisant rebondir les impulsions radar sur la surface de l’eau et en recevant le signal de retour avec les deux antennes, KaRIn collectera des données le long d’une bande de 30 miles (50 kilomètres) de large de chaque côté du satellite. “Avec les données KaRIn, nous pourrons réellement voir ce qui se passe, plutôt que de nous fier à ces extrapolations”, a déclaré Tamlin Pavelsky, responsable des sciences de l’eau douce de la NASA pour SWOT, basé à l’Université de Caroline du Nord, Chapel Hill.

Les deux antennes KaRIn verront le même endroit sur Terre à 890 kilomètres au-dessus. Étant donné que les antennes regardent un point donné sur Terre depuis deux directions, les signaux de retour réfléchis vers le satellite arrivent à chaque antenne légèrement décalés, ou en phase, les uns par rapport aux autres. En utilisant cette différence de phase, la distance entre les deux antennes et la longueur d’onde du radar, les chercheurs peuvent calculer la hauteur de l’eau que regarde KaRIn.

Technologie révolutionnaire

Un instrument aussi remarquable a exigé beaucoup de l’équipe qui l’a développé. Pour commencer, il y avait un besoin de stabilité. “Vous avez deux antennes qui regardent au même endroit sur le sol, mais si leurs empreintes ne se chevauchent pas, vous ne verrez rien”, a déclaré Esteban-Fernandez. C’était l’un des nombreux défis techniques la mission à laquelle était confrontée la création de KaRIn.

Les ingénieurs doivent également savoir exactement comment SWOT est positionné dans l’espace pour garantir l’exactitude des données de KaRIn. Si les chercheurs ne savent pas que le vaisseau spatial est incliné, par exemple, ils ne peuvent pas en tenir compte dans leurs calculs. “Imaginez que le boom roule parce que le vaisseau spatial se déplace, donc une antenne est légèrement plus haute que l’autre”, a déclaré Esteban-Fernandez. “Cela faussera les résultats – on dirait que toute votre eau est sur une pente.” Les ingénieurs ont donc inclus un gyroscope haute performance sur le satellite pour tenir compte des changements de position de SWOT.

Les ingénieurs qui ont conçu KaRIn ont également dû faire face à la quantité de puissance radar transmise. “Pour mesurer les choses au centimètre près, vous devez transmettre des impulsions radar de 1,5 kilowatts, ce qui représente une puissance énorme pour un satellite comme celui-ci”, a déclaré Esteban-Fernandez. “Pour générer cela, vous devez avoir des dizaines de milliers de volts fonctionnant sur le satellite.” Les ingénieurs devaient utiliser des conceptions et des matériaux spécifiques aux systèmes haute tension lors de la fabrication de l’électronique pour aider le satellite à répondre à ces besoins en haute puissance et haute tension.

L’équipe a passé des années à surmonter ces défis et une multitude d’autres pour livrer l’instrument KaRIn. Très bientôt, l’interféromètre volera pour la première fois sur le satellite SWOT et commencera à renvoyer des téraoctets de données. “KaRIn mettra sur la table quelque chose qui n’existait tout simplement pas auparavant”, a déclaré Esteban-Fernandez.