Le satellite météorologique arctique (AWS) de l’Agence spatiale européenne (ESA) a été envoyé en orbite polaire à 600 km au-dessus de la Terre le 16 août 2024. À bord : quatre amplificateurs à faible bruit (LNA) de l’Institut Fraunhofer de physique appliquée des solides IAF de Fribourg. Il s’agit d’éléments essentiels du radiomètre micro-ondes passif avec lequel l’AWS mesure la température et l’humidité dans l’Arctique avec une précision jamais atteinte auparavant. Cela devrait contribuer à une meilleure compréhension de l’Arctique et du changement climatique qui y est particulièrement visible.
Si la mission réussit, l’ESA prévoit de lancer une constellation mondiale de petits satellites identiques dans l’espace pour permettre des prévisions météorologiques plus précises et à plus court terme (nowcasting) et des observations climatiques à l’échelle mondiale.
La tâche des LNA dans les systèmes techniques est d’améliorer la qualité des signaux entrants. Comme leur nom l’indique, ils amplifient les signaux faibles tout en provoquant le moins de bruit de fond possible afin que les signaux puissent être plus facilement détectés et analysés. De cette façon, les LNA augmentent la sensibilité des systèmes.
« Plus un amplificateur à faible bruit est puissant, plus un système peut collecter des données de manière précise et fiable. Ils jouent un rôle majeur dans l’observation de la Terre par satellite, car le rayonnement micro-ondes qui atteint le radiomètre du satellite est très faible », explique le Dr Fabian Thome, directeur adjoint de l’unité commerciale High Frequency Electronics chez Fraunhofer IAF.
« C’est une grande confirmation et une grande motivation que de pouvoir contribuer à une meilleure recherche sur l’Arctique et ses effets sur le climat mondial avec nos LNA. »
Contribution des LNA pour les gammes de fréquences autour de 54, 89 et 170 GHz au radiomètre AWS
Le radiomètre micro-ondes AWS se compose d’une antenne rotative qui capte le rayonnement micro-ondes naturel émis par la surface de la Terre et le transmet à quatre cornes d’alimentation et quatre récepteurs.
L’antenne et le récepteur appartiennent chacun à l’un des quatre groupes comprenant un total de 19 canaux, qui couvrent ensemble un spectre de fréquences de 50 à 325 GHz : huit canaux avec des fréquences de 50 à 58 GHz mesurent la température, un canal à 89 GHz détecte les nuages, un autre à 165,5 GHz à la fois les nuages et l’humidité, cinq canaux entre 176 et 182 GHz ne sont responsables que de l’humidité, tandis qu’enfin quatre canaux à 325 GHz plus/moins 1,2 à 6,6 GHz mesurent l’humidité et détectent également les nuages.
Grâce à cet équipement technique, le radiomètre est capable de créer des profils verticaux d’humidité et de température à haute résolution dans toutes les conditions météorologiques.
Fraunhofer IAF a fourni un total de quatre LNA pour trois des quatre groupes de canaux : un module pour la gamme de fréquences autour de 54 GHz, deux modules identiques pour 89 GHz, qui ont été connectés en série pour une plus grande amplification globale, et un module pour la gamme 170 GHz.
Les chercheurs ont amélioré des technologies éprouvées basées sur le semi-conducteur composé arséniure d’indium et de gallium (InGaAs) et ont réalisé des transistors métamorphiques à haute mobilité électronique (mHEMT) pour les circuits intégrés micro-ondes monolithiques (MMIC).
Technologie mHEMT InGaAs pour MMIC
« Fraunhofer IAF est un leader mondial dans le développement de transistors et de circuits pour les systèmes de radiométrie par satellite. Nos modules définissent l’état de l’art dans de nombreux domaines de performance », souligne Thome.
Cela se voit également de manière exemplaire dans les modules radiomètres AWS : lors des tests, le LNA pour la gamme de fréquences autour de 54 GHz a atteint un facteur de bruit de 1,0 à 1,2 dB avec un gain de 31 à 28 dB, améliorant ainsi considérablement l’état de la technique. Avec des facteurs de bruit de 1,9 à 2,3 dB avec un gain de 23 à 25 dB (89 GHz) et de 3,3 à 4,1 dB avec un gain de 25 à 30 dB, les autres LNA AWS se situent exactement dans la gamme des état actuel de l’art.
Lors du développement des modules, les chercheurs ont travaillé en étroite collaboration avec le client direct ACC Omnisys (AAC Clyde Space) de Suède, qui a construit le système de radiomètre pour OHB Suède et l’ESA.
Lors du développement et de la production des modules, Fraunhofer IAF a pu utiliser son infrastructure de recherche et l’expertise de ses collaborateurs tout au long de la chaîne de valeur. Des équipes issues des domaines de la microélectronique, de l’épitaxie, de la technologie et de la mécanique de précision ont travaillé en étroite collaboration et ont réalisé toutes les étapes clés, de la conception des circuits à la croissance des matériaux, au traitement et à la mesure, en passant par la technologie des processus, la séparation, la technologie d’assemblage jusqu’à la construction et l’intégration des modules, jusqu’à ce que les modules LNA soient prêts à être utilisés.
Une première qualification des modules pour une utilisation dans l’espace a également eu lieu à l’institut avant que le matériel ne soit remis pour l’intégration du récepteur.
AWS et EPS-Sterna : un nouvel espace pour des prévisions météorologiques, des prévisions immédiates et une surveillance climatique plus précises
La mission d’AWS est de collecter pour la première fois des données météorologiques plus précises dans l’Arctique, ce qui permettra des prévisions à court terme pour la région polaire, y compris ce que l’on appelle le nowcasting, qui fait référence aux prévisions pour les prochaines heures.
L’Arctique ayant une forte influence sur le climat mondial, les données permettent également de mieux prévoir la météorologie mondiale. Cela s’applique également au climat : le changement climatique progresse plus rapidement dans l’Arctique que dans d’autres régions du monde. Dans le même temps, les changements dans l’Arctique ont un impact sur le climat mondial en raison des effets de rétroaction.
En cas de succès, une constellation entière de petits satellites identiques suivra l’AWS : le système polaire EUMETSAT-Sterna (EPS-Sterna). Le projet prévoit de placer six satellites sur trois orbites différentes en même temps pour collecter des données météorologiques à long terme dans les régions polaires.
Le parc de satellites sera renouvelé trois fois, ce qui permettra d’utiliser un total de 18 satellites pendant la durée de la mission. Deux satellites de remplacement sont prévus. Le premier des six satellites EPS-Sterna devrait être lancé en 2029.
Avec ce projet, l’ESA met en œuvre pour la première fois l’approche New Space, qui se caractérise par la réalisation de projets dans les délais les plus courts possibles et avec des ressources nettement réduites.
Dans le cas d’AWS, dont la masse totale n’est que de 150 kg, il ne s’est écoulé que trois ans entre le début du projet et le lancement de la fusée, ce qui représente une fraction des coûts engagés par rapport aux projets précédents. Les autres avantages du New Space sont la plus grande résilience des constellations – la défaillance d’un satellite du réseau peut être compensée ou remplacée rapidement et à moindre coût – et la flexibilité des missions, qui peuvent être prolongées ou raccourcies si nécessaire, sans consommer de grandes quantités de ressources.
Du 24 au 26 septembre 2024, Fraunhofer IAF présentera des expositions des modules LNA installés dans le radiomètre AWS ainsi que d’autres composants électroniques haute fréquence issus des domaines d’application des communications par satellite, des communications mobiles ou de la technologie de mesure à basse température lors de la Semaine européenne des micro-ondes de cette année (EuMW) à Paris (stand : 202K).
Fourni par l’Institut Fraunhofer de physique appliquée du solide