Analysis of SPEDE Langmuir probe observations from the SMART-1 Lunar spacecraft for exploring near-earth space

Abstract

The Spacecraft Potential, Electron and Dust Experiment (SPEDE) was a combined Langmuir and Electric Field instrument onboard the SMART-1 (Small Missions for Advanced Research in Technology) spacecraft. SMART-1 was European Space Agency's first lunar mission, which gradual trajectory to the Moon provided a unique opportunity to investigate the near-Earth plasma environment. SPEDE consisted of two Langmuir probes, which continuously monitored the plasma parameters during the three-year mission.

This thesis analyzes the plasma measurements of SPEDE and simulation results from the Magnetohydrodynamic (MHD) GUMICS-4 model to characterize the near-Earth space plasma environment. The Langmuir probe measurements provided insights into how the plasma environment of a spacecraft varied across the different regions of the magnetosphere and under various space weather conditions, and how the propulsion system and the instrument affected the measurements. The data analysis was done by visualizing the probe measurements and comparing the changes with spacecraft location, operation mode of the instrument, prevalent space weather conditions, and simulated results. The analysis of the Langmuir probe sweeps, and the extraction of the plasma parameters turned out to be more challenging due to a large negative spacecraft potential. A small number of sufficient sweeps was found in the data, from which the plasma parameters could be derived and compared to previous results.

The findings of this thesis deepen the understanding of the dynamic near-Earth space plasma environment and contribute to future missions and instrumentation.

Spacecraft Potential, Electron and Dust Experiment (SPEDE) oli Langmuir ja sähkökenttä instrumentti SMART-1 (Small Missions for Advanced Research in Technology) luotaimella. SMART-1 oli Euroopan avaruusjärjestön ensimmäinen kuulentomissio, jonka vähitellen kasvava rata Kuuhun tarjosi ainutlaatuisen mahdollisuuden tutkia Maan lähiavaruuden plasmaympäristöä. SPEDE koostui kahdesta Langmuir anturista, jotka seurasivat jatkuvasti plasman parametreja kolmen vuoden mittaisen mission aikana.

Tämä työ analysoi SPEDEn plasmamittauksia sekä Magnetohydrodynaamisen (MHD) GUMICS-4 -mallin simulaatiotuloksia Maan lähiavaruuden plasmaympäristön tutkimiseksi. Instrumentin Langmuir-mittaukset kertoivat, kuinka luotaimen plasma ympäristö vaihteli magneettikehän eri alueilla ja erilaisten avaruussään olosuhteiden aikana, sekä kuinka satelliitin moottori ja instrumentti itsessään vaikuttivat mittauksiin. Datan analyysi tehtiin visualisoimalla mittauksia ja vertaamalla saatuja tuloksia satelliitin sijaintiin, instrumentin operaatioon, vallitseviin avaruussään olosuhteisiin ja simuloituihin tuloksiin. Langmuirin antamien virta-jännite-arvojen analysointi ja plasman parametrien johtaminen niistä osoittautui haastavaksi avaruusaluksen suuren negatiivisen potentiaalin vuoksi. Aineistosta löydettiin kuitenkin pieni määrä riittäviä mittauspyyhkäisyjä, joista plasman parametrit voitiin johtaa ja verrata aiempiin tuloksiin.

Työn havainnot syventävät ymmärrystä dynaamisesta Maan lähiavaruuden plasmaympäristöstä ja tukevat tulevia tutkimuslentoja ja instrumentointia.