Mars 2020

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Mars 2020

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Esquisse du rover

Caractéristiques
Organisation NASA
Domaine collecte d'échantillons du sol martien
Statut en cours développement
Masse ~ 900kg (rover)
Lancement ~2020
Lanceur Atlas V
Durée de vie 22 mois terrestres
Site JPL
Principaux instruments
MastCam-Z Caméras
SuperCam Plusieurs spectromètre associés à un laser et une caméra
RIMFAX Radar
PIXL Spectromètre de fluorescence à rayons X 2D / microscope
SHERLOC Spectromètre Raman 2D / microscope
MEDA Station météorologique
MOXIE démonstrateur technologique ISRU

Le projet Mars 2020 est une mission d'exploration de la planète Mars à l'aide d'une astromobile (rover) développée par le centre JPL associé à l'agence spatiale américaine, la NASA, et dont le lancement est planifié en 2020. Hormis sa charge utile l'engin spatial doit être une copie de la sonde Mars Science Laboratory, dont Curiosity qui s'est posé avec succès sur Mars en août 2012. L'un des principaux objectifs assignés à cette nouvelle mission est la collecte d'échantillons du sol martien qui devraient être retournés sur Terre par une mission de retour d'échantillons qui n'est en 2013 ni financée ni planifiée. Le coût de la mission est estimé à 1,5 G$ contre 2,5 G$ pour MSL.

Contexte et déroulement du projet[modifier | modifier le code]

À la suite de l'atterrissage réussi du rover Curiosity de la mission Mars Science Laboratory en août 2012, la NASA annonce le 4 décembre 2012, dans le cadre d'un congrès de l'American Geophysical Union à San Francisco, qu'un rover reprenant l'architecture de MSL/Curiosity, y compris le système de rentrée atmosphérique et d'atterrissage, sera lancé vers Mars en 2020. La charge utile du rover devrait être différente de celle de Curiosity. Grâce à la réutilisation des composants de MSL, le coût de cette mission devrait être abaissé de 2,5 à 1,5 G$[1],[2]. En janvier 2013, la NASA demande à une équipe (Science Definition Team ou SDT) de définir le contenu scientifique de la future mission. Le rapport, rendu début juillet 2013, fait figurer parmi les principaux objectifs la collecte d'échantillons du sol martien qui devraient être ramenés sur Terre par une future mission de retour d'échantillons[3].

Objectifs[modifier | modifier le code]

Le rapport de la Science Definition Team distingue quatre objectifs :

  • Explorer un environnement susceptible d'avoir accueilli la vie en analysant son histoire et les processus géologiques qui s'y sont déroulé[4]
  • Rechercher des indices de signatures d'origine biologiques dans une sélection de sites[5]
  • Faire progresser les techniques permettant le retour d'échantillons du sol martien sur Terre[6]
  • Préparer les futures missions habitées sur le sol martien en testant des technologies (ISRU,...), analysant les conditions régnant à la surface de Mars - rayonnement, température,poussière,...- et améliorant les connaissances sur les conditions de rentrée atmosphérique (MEDLI+)[7].

Le retour des échantillons collectés[modifier | modifier le code]

Prototype de système de stockage d'échantillons de sol martien.

Mars 2020 est la première étape du retour d'échantillons du sol martien sur Terre puisque la moitié de sa charge utile est consacrée à leur collecte et leur stockage. Néanmoins leur retour, qui constitue un défi technique et financier (environ 4 milliards $) ne fait pas partie de la mission. En 2014, aucune mission de ce type n'est planifiée ni financée. La NASA envisage que la mission qui ramènera les échantillons collectés pourrait avoir lieu au plus tôt en 2025 sinon vers 2030. La planification dépend de la mise à disposition de moyens financiers très importants mais également des résultats des missions martiennes en cours (MSL, MER) et à venir (MAVEN, ExoMars, ...)[8].

Choix du site d'atterrissage[modifier | modifier le code]

Le choix du site d'atterrissage fera l'objet comme pour MSL d'une consultation internationale des scientifiques concernés. Un facteur important de sélection est la proximité de terrains permettant de mettre en évidence avec la probabilité la plus forte des traces d'activité biologiques : terrains d'origine sédimentaire subaquatique, hydrothermale et roches dégradées par des fluides aqueux hydrothermaux ou par des températures basses[9].

Caractéristiques techniques[modifier | modifier le code]

Le rover du projet Mars 2020 doit reprendre l'architecture de Curiosity. Le recours à des panneaux solaires au lieu du MMRTG utilisé par MSL n'est toutefois pas complètement écarté. Des modifications permettant d'améliorer la précision et diminuer les risques de l'atterrissage pourraient être incorporées :

  • Range Trigger (RT) : l'ouverture du parachute de MSL était conditionné par la vitesse de l'engin spatial. La modification envisagée pour la future mission consiste à déclencher cette ouverture lorsque la distance à la zone visée devient inférieure à une certaine valeur. Cette modification qui peut être implémentée sans évolution majeure de la sonde spatiale (l'information est déjà disponible) permet d'abaisser la longueur du grand axe de l'ellipse d’atterrissage de 25 à 13-18 km[10].
  • Terrain-Relative Navigation (TRN) : il s'agit d'utiliser les images fournies par les caméras embarquées lors de la descente vers le sol pour déterminer la position du module de descente et atterrissage par rapport à sa cible avec une précision d'environ 60 mètres au lieu d'un à deux km avec MSL. Cette précision permettrait d'éviter les zones de terrain les plus accidentées en utilisant les capacités de l'étage de descente à dévier de sa trajectoire. Cette capacité est déjà utilisée lors de la séparation de l'étage de descente avec le bouclier arrière et le parachute. L'étage de descente dispose de suffisamment de carburant pour s'écarter de sa trajectoire d'environ 300 mètres[11].

Le rapport de juillet préconise également de modifier le système de télécommunications utilisé par le rover MSL pour que celui-ci puisse transmettre directement ses données vers la Terre au cas où le relais assuré actuellement en UHF par les orbiteurs martiens ne serait plus opérationnel dans les années 2020. La modification baptisée DTE (Direct-to-Earth) consiste à remplacer l'antenne grand gain par une antenne de plus grande taille et à remplacer l'amplificateur actuel par un tube à ondes progressives plus puissant[12].

Instrumentation scientifique[modifier | modifier le code]

Il est prévu que l'instrumentation scientifique soit en partie différente de celle de MSL. Plusieurs configurations sont à l'étude en 2013. Les instruments embarqués doivent permettre des mesures plus précises dans plusieurs domaines[13] :

  • Les instruments des rovers existant fournissent la composition moyenne minéralogique et chimique des roches sur une surface de plusieurs cm². L'instrumentation du rover de Mars 2020 devra permettre de mettre en évidence les structures géologiques à petite échelle qui fournissent des informations importantes dans la recherche des signatures biologiques ;
  • L'instrument SAM d'analyse des composants organiques embarqué sur le rover MSL/Curiosity analyse des échantillons de sol qui doivent être au préalable broyés et tamisés ce qui fait disparaître des données importantes sur leur texture. La mission à venir devra pouvoir effectuer des observations avec une résolution spatiale suffisamment fine pour permettre de mettre en évidence des structures telles que celles que pourrait créer une vie microbienne.

Les deux configurations proposées (juillet 2013)[modifier | modifier le code]

Le rapport de juillet 2013 présente deux exemples de configuration de la charge utile de masse total équivalente et pouvant remplir les objectifs fixés à la mission. On remarquera que les trois instruments les plus complexes de MSL - SAM, ChemCam et CheMin - n'en font pas partie :

Deux exemples de configuration de la charge utile[14]
Fonctionnalité Configuration 1 (bleue) Coût Configuration 2 (orange) Coût
Contexte (image) Mastcam ou dérivé Moyen Mastcam ou dérivé Moyen
Contexte (minéralogie) UCIS[Note 1] ou dérivé Moyen miniTES[Note 2] ou dérivé Moyen
Chimie des éléments APXS[Note 3] ou dérivé Faible μXRF[Note 4] ou dérivé Faible
Imagerie à petite échelle MAHLI[Note 5] ou dérivé Moyen
MMI[Note 6] ou dérivé Moyen
Minéralogie à petite échelle Green Raman[Note 7] ou dérivé Élevé
Détection des matériaux organiques Deep-UV ou dérivé Élevé
Équipements en support de l'activité scientifique Ceci comprend le système de collecte et de stockage d'échantillons, ainsi que les instruments de préparation des surfaces rocheuses (brosse,...)
Coût configuration minimale ~90 M$ ~90 M$
Instruments optionnels GPR[Note 8] Moyen GPR Moyen
Contribution au programme habité ISRU[Note 9] ISRU
Modifications technologiques TRN et Range Trigger
Coût total ~105 M$ ~105 M$

Les instruments sélectionnés[modifier | modifier le code]

La sélection des instruments retenus est annoncée le 31 juillet 2014. Des équipements aux caractéristiques spectaculaires sont écartées comme un mini hélicoptère propulsé par l'énergie solaire ou la mini serre. La communauté scientifique et la NASA ont fait le pari qu'une mission de retour d'échantillon sera finalement programmée et budgétée : ils ont choisi de retenir, non pas des instruments capables de faire les analyses les plus poussées, mais ceux capables d'identifier de la manière la plus efficace les échantillons de sol et de roche les plus intéressants pour une analyse ultérieure. Alors que Curiosity emportait deux laboratoires permettant une analyse poussée des échantillons de sol, le rover de Mars 2020 n'en emporte aucun. La moitié de la charge utile est réservée au système de prélèvement et de stockage des échantillons. Le mini-laboratoire CODEX très prometteur n'a pas été retenu. Le rover doit emporter six instruments scientifiques et une expérience technologique. Les instruments ont été sélectionnés pour permettre l'identification rapide, car contraint par la durée de vie du rover, de deux à trois douzaines d'échantillons de sol bien choisis qui seront ramenés sur Terre par une mission de retour d'échantillon de type Mars Sample Return qui reste aujourd'hui à budgéter et planifier.

Les instruments d'analyse à distance[modifier | modifier le code]

Trois instruments sont chargés de fournir une vue d'ensemble du site[15],[16] :

  • Mastcam-Z est un ensemble de caméras constituant une évolution de l'ensemble Mastcam embarqué sur Curiosity. La principale amélioration est constituée par l'ajout d'un zoom (objectif de 28-100 mm) qui avait été abandonné en cours de développement sur le rover précédent. Les caméras disposent d'un jeu de 12 filtres permettant de réaliser des images dans des bandes spectrales étroites en lumière visible et proche infrarouge.
  • SuperCam est une version améliorée de l'instrument franco-américain ChemCam qui utilise un laser et un ensemble de spectromètres pour analyser à distance la composition chimique et la géologie des roches. Par rapport à la version précédente constitué d'un analyseur de la composition élémentaire des cibles martiennes par ablation laser et spectroscopie optique (LIBS), le nouvel instrument comprend également des spectromètres Raman et infrarouge pour identifier les phases minérales et la présence de matière organique et sa caméra peut désormais recueillir des images en couleur à très haute définition afin de connaître la texture de la roche et le contexte dans lequel sont effectuées les analyses spectrométriques.
  • Le radar RIMFAX (Radar Imager for Mars' Subsurface Exploration) développé par un institut de recherche norvégien. Il permet de compléter les analyses effectuées par Supercam qui ne peut étudier que la surface des roches. RIMFAX permet d'analyser les couches géologiques enfouies jusqu'à une profondeur d'un demi-kilomètre avec une résolution comprise entre 5 et 20 cm.

Les instruments d'analyse au contact[modifier | modifier le code]

Deux instruments, installés au bout du bras du rover pour venir au contact de la zone analysée, sont utilisés pour réaliser une étude plus poussée d'un échantillon de la taille approximative d'un timbre. Leurs capacités sont nettement améliorées par rapport aux instruments embarqués sur Curiosity (microscope et spectromètre à rayons X). Les deux instruments disposent d'un microscope et, alors que le spectromètre X de Curiosity ne pouvait effectuer qu'une mesure pondérée de la surface de l'échantillon, les deux nouveaux instruments réalisent plusieurs centaines à plusieurs milliers de mesures permettant d'identifier les différences de composition à l'échelle du grain de sable. Cette capacité peut fournir un éclairage décisif sur l'histoire de la formation des roches analysées. Ces instruments sont également capables d'identifier et de cartographier la présence de matériaux organiques en fournissant des résultats plus facilement interprétables que les instruments de Curiosity. Ces deux instruments sont[15],[16]  :

  • PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) est un spectromètre de fluorescence à rayons X qui doit fournir des images à haute résolution permettant de déterminer la composition élémentaire du matériaux à la surface de Mars avec une précision inégalée
  • le spectromètre SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals) doit fournir des images à faible échelle et utiliser un laser ultraviolet pour déterminer de la minéralogie et la composition organiques à faible échelle. Il s'agit du premier spectromètre Raman œuvrant à la surface de Mars.

Station météorologique[modifier | modifier le code]

Comme Curiosity, Mars 2020 emporte une station météorologique développée par la même équipe espagnole baptisée MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer ). Celle-ci fournit température, pression, vitesse des vents et caractéristiques de la poussière[15],[16].

Expérience technologique[modifier | modifier le code]

Le rover emporte également l'expérience technologique MOXIE (Mars Oxygen ISRU Experiment). Cet équipement de type ISRU (c'est-à-dire utilisation de ressources in situ) doit tester la production d'oxygène à partir du dioxyde de carbone omniprésent dans l'atmosphère martienne. Ce type d'équipement, s'il devient opérationnel, permettra d'envisager des missions martiennes habitées ou robotiques qui reconstitueraient leurs réserves d'oxydant à partir des ressources locales avant de redécoller vers la Terre. L'oxygène récupéré pourra également servir à reconstituer les réserves utilisées par les futurs astronautes martiens[15],[16].

Schéma présentant l'implantation des différents instruments sélectionnés fin juillet 2014.

Le système de collecte et de stockage des échantillons du sol martien[modifier | modifier le code]

Le système de collecte et de stockage des échantillons du sol martien représente plus de la moitié de la masse de la charge utile du rover. Celui-ci doit permettre de prélever deux à trois douzaines de carottes du diamètre d'un crayon et de la moitié de sa longueur. Mi 2014, les caractéristiques de ce système ne sont pas figées[15],[16].

Déroulement de la mission[modifier | modifier le code]

Il est prévu que la mission dure une année martienne (deux années terrestres) dont environ la moitié est réservée aux opérations scientifiques proprement dites[17].

Le retour des échantillons sur Terre[modifier | modifier le code]

La récupération des échantillons collectés, qui est ni programmé ni budgeté en 2014, doit se réaliser de la manière suivante selon le scénario prévu pour Mars Sample Return[18] :

  • Un premier lanceur lourd Atlas V lance un orbiteur martien (3 tonnes dont 2 tonnes d'ergols) qui doit prendre en charge le trajet de retour de la capsule contenant les échantillons entre l'orbite martienne et l'orbite terrestre
  • Un deuxième lanceur lourd Atlas V lance un engin spatial qui doit se poser sur le sol martien et comprend :
    • un rover de petite taille (150 kg) chargé d'aller récupérer les échantillons du rover collecteur (Mars 2020) et pouvant franchir la distance liée à l'imprécision de l'atterrissage
    • un mini-lanceur à deux étages à propergol solide (300 kg) capable de rejoindre l'orbite basse martienne avec comme charge utile le conteneur d'échantillon (évalué à 5 kg)
    • Un bras chargé de placer le conteneur au sommet du lanceur
    • Une plateforme de lancement (550 kg avec le bras)
  • Le mini lanceur rejoint l'orbite basse et effectue un rendez-vous automatique avec l'orbiteur qui récupère le conteneur et l'insère dans la capsule de retour d'échantillon
  • L'orbiteur utilise sa propulsion pour se placer sur une trajectoire de retour vers la Terre
  • La capsule contenant les échantillons est larguée à proximité de la Terre, effectue une rentrée atmosphérique et se pose sur le sol à grande vitesse sans parachutes.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Ultra-Compact Imaging Spectrometer : spectromètre visible/infrarouge. Utilisé par MSL.
  2. Mini-Thermal Emission Spectrometer : spectromètre infrarouge. Utilisé par les rovers MER.
  3. Alpha Particle X-Ray Spectrometer : spectromètre à particules alpha. Utilisé par MSL.
  4. Ultra-trace X-Ray Fluorescence : spectromètre à fluorescence X. Utilisé par MSL.
  5. Mars Hand Lens Imager : caméra microscope. Utilisé par MSL.
  6. Multispectral Microscopic Imager : Imageur multispectral associé à un microscope.
  7. Spectromètre Raman.
  8. Ground Penetrating Radar : détermine les caractéristiques du sous-sol proche.
  9. In-Situ Resource Utilization : Prototype générant de l'oxygène à partir de l'atmosphère martienne.

Références[modifier | modifier le code]

Sources[modifier | modifier le code]

NASA :

  • (en) J.F. Mustard et al., Report of the Mars 2020 Science Definition Team,‎ juillet 2013 (lire en ligne)
    Rapport de l'équipe chargé de la définition du contenu scientifique de la mission Mars 2020.

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]