A magnetohydrodynamic system for plasma control on the surface of spacecrafts of re-entry in the atmosphere

Image : NASA, OH.

When a spacecraft enters the atmosphere at very high speed on Earth or elsewhere, the entry environment produces extremely high thermal loads on the spacecraft surface. This is one of the most critical phases of space missions.

Partially ionized gases then form a plasma envelope around the spacecraft, keeping from the passage of radio frequency signals and causing a communication failure that can last on average 5 minutes.

The MEESST project as a solution

Based on an international consortium of universities, SMEs, research institutes and industry, the MEESST (MHD Enhanced Entry System for Space Transportation) project answers to the issues previously mentioned by offering an applicative solution to the principles of magnetohydrodynamics (MHD) in order to influence the plasma dynamics surround the spacecraft.

This new technology aims to :

• Provide the necessary magnetic field to move the plasma away from the surface of the space vessel and thus reduce the heat
  

  Photo prise sur le site du MEESST : https://meesst.eu/about/

  flux

• Open a radio window to remove the radio frequency communication failure

The validation of the MEESST principle will be carried out experimentally and numerically by tests performed at the Von Karman Institute (VKI, Belgium), for the communication tests, and the Institute for Space Systems (IRS, Germany), for the thermal tests. Its objective is to significantly improve numerical prediction abilities, thermal load mitigation, and communication cutoff phenomenon. The numerical simulations are based on new beam launching methods and improved plasma models, including the impact of the magnetic field generated by the magnets.

These experimental and modeling testing will also be used for other applications such as radar imaging, surveillance or GPS navigation.

The MEESST’s project involves 11 partners :

• Universities such as KU Lewen, Stuttgart, Southampton, Luxembourg, Karlsruhe Institute of Technology, Institute of Physics (Marie Curie-Skłodowska University), von Karman Institute of fluid dynamics
• Companies such as Theva Dünnschichttechnik GmbH, Advanced Engineering Design Solutions (AEDS), Neutron Star Systems), Absolut System.

Funded by the European Commission through Horizon 2020’s Future and Emerging Technologies (FET) program, it aims to make the transition to more reusable and cost-effective input systems. Already well advanced in the preliminary research and design phase, this project will be completed in March 2024.

Absolut System, a key partner providing cryogenic expertise

As a partner in the MEESST project, Absolut System designs and supplies the cooling system, based on a cryogenic helium circulation loop. This system is used to cool the superconducting magnet at 40K, which generates a magnetic field capable of repelling the plasma.

The objective is to develop a prototype to demonstrate the abilities of MEESST to :

• Lighten the thermal load around the capsule
• To overcome the radio frequency communication problem

This prototype will be put in the IRS plasma chambers for thermal measurements and the VKI plasma chamber for radio measurements. It will simulate the re-entry into the atmosphere of space vehicles.

To know more about this project, click here.

Système magnétohydrodynamique (MHD) de contrôle du plasma à la surface des véhicules spatiaux de rentrée dans l’atmosphère

Image prise sur le site de MEESST : https://meesst.eu/

Lorsqu’un vaisseau spatial pénètre dans l’atmosphère à très grande vitesse sur Terre ou ailleurs, l’environnement d’entrée produit des charges thermiques extrêmement élevées à la surface du vaisseau spatial. Cela représente l’une des phases les plus critiques des missions spatiales. Des gaz partiellement ionisés forment alors une enveloppe de plasma autour du véhicule spatial, empêchant le passage des signaux radiofréquences et entraînant une panne de communication pouvant durer en moyenne 5 minutes.

Le projet MEESST, une solution

Basé sur un consortium international composé d’universités, de PME et d’instituts de recherche et de l’industrie, le projet MEESST (MHD Enhanced Entry System for Space Transportation) répond aux problématiques mentionnées précédemment en proposant une solution applicative des principes de la magnétohydrodynamique (MHD). Cette technique permet d’influencer la dynamique du plasma entourant le vaisseau spatial.

Cette nouvelle technologie vise à :

• Fournir le champ magnétique nécessaire pour éloigner le plasma de la surface du vaisseau et permettre de diminuer le flux de chaleur.
• Ouvrir une fenêtre radio pour supprimer la panne de communication radiofréquence.

La validation du principe de MEESST sera effectuée expérimentalement et numériquement par des tests réalisés à l’Institut Von Karman (VKI, Belgique), pour les essais de communication et à l’Institut des Systèmes Spatiaux (IRS, Allemagne), pour les essais thermiques. L’objectif : améliorer considérablement les capacités de prédiction numérique, d’atténuation de la charge thermique et du phénomène de coupure de communication. Les simulations numériques se basent sur de nouvelles méthodes de lancer de rayons et des modèles de plasma améliorés, comprenant l’impact du champ magnétique généré par les aimants.

Ces efforts expérimentaux et de modélisation serviront également pour d’autres applications comme l’imagerie radar, la surveillance ou encore la navigation GPS.

Le projet MEESST regroupe 11 partenaires :

• Des universités comme KU Lewen, Stuttgart, Southampton, Luxembourg, Institut de technologie de Karlsruhe, Institut de Physiques (Université Marie Curie-Skłodowska), Institut von Karman de dynamique des fluides
• Des entreprises comme Theva Dünnschichttechnik GmbH, Advanced Engineering Design Solutions (AEDS), Neutron Star Systems), Absolut System.

Financé par la Commission Européenne via le programme Future and Emerging Technologies (FET) d’Horizon 2020, il vise à faire la transition vers des systèmes d’entrée plus réutilisables et plus rentables. Déjà bien avancé en phase de recherche préliminaire et de conception, ce projet prendra fin en mars 2024.

Absolut System, partenaire clé apportant son expertise cryogénique

Partenaire du projet MEESST, Absolut System fabrique et fournit le système de refroidissement, basé sur une boucle de circulation d’Hélium cryogénique. Ce système sert au refroidissement de l’aimant supraconducteur, qui maintenu à 40K, permet de générer un champ magnétique capable de repousser le plasma.

L’objectif est de développer un prototype pour démontrer les capacités de MEESST à :

• Alléger la charge thermique autour de la capsule
• Palier au problème de communication radiofréquence

Ce prototype, inséré dans les chambres à plasma de l’IRS pour les mesures thermiques et celle de VKI pour les mesures de radio, est voué à simuler la rentrée dans l’atmosphère des véhicules spatiaux.

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