14 août 2020

Amener des roches martiennes sur Terre : Notre plus grand numéro de cirque interplanétaire

Envoyez un vaisseau spatial robotisé sur Mars, prenez quelques roches et de la terre et ramenez-les sur Terre.

Comment cela peut-il être difficile ?

Cela ressemble plus à un numéro de cirque interplanétaire que vous ne l’imaginez, mais la NASA et l’Agence spatiale européenne pensent que le moment est venu de réaliser enfin cette chorégraphie complexe, en lançant les pierres d’un vaisseau spatial à l’autre avant que les échantillons n’atterrissent finalement sur Terre en 2031.

“La communauté scientifique, bien sûr, a envie de faire cela depuis un certain temps”, a déclaré James Watzin, le directeur du programme d’exploration de Mars à la NASA.

Au cours des deux dernières décennies, les explorateurs robotiques ont révélé une image de plus en plus complexe de Mars, mais les scientifiques planétaires sont limités par la quantité de science qui peut être emballée dans un vaisseau spatial.

“On ne peut pas transporter autant d’instruments sur le terrain, de manière robotisée”, a déclaré M. Watzin. “Pour vraiment aborder certaines des questions vraiment intrigantes au niveau du détail, nous devons analyser les preuves au niveau moléculaire et essayer de tirer les informations de très, très vieux matériaux. Et cela nécessite toute une série d’instruments qui étaient clairement trop grands pour être réduits et envoyés sur une autre planète”.

Avec des roches fraîches de Mars sur Terre, davantage de scientifiques pourront les examiner, en utilisant un large éventail d’équipements les plus sophistiqués dans les laboratoires du monde entier.

La première étape de cette entreprise épique, connue sous le nom de retour d’échantillon sur Mars, commence bientôt avec Persévérance, le prochain rover de la NASA. Il devrait décoller le 30 juillet, en direction de Jezero, un cratère qui était autrefois un lac il y a environ 3,5 milliards d’années, et qui est un endroit prometteur où les signes de vie passée sur Mars pourraient être préservés.

L’une des tâches clés de Persévérance est de forer jusqu’à 39 carottes de roche, chacune d’un demi-pouce de large et de 2,4 pouces de long, qui semblent suffisamment intéressantes pour mériter un examen plus approfondi sur Terre. Chaque échantillon de roche et de terre, pesant environ une demi-once, sera scellé dans un tube métallique ultra-propre de la taille d’un cigare.

Mais au départ, la NASA n’avait pas prévu de ramener ces tubes sur Terre. La persévérance ne permet pas de lancer les roches au large de Mars.

Il y a trois ans, une équipe d’ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, en Californie, a commencé à examiner de plus près le moment où la partie retour des échantillons de Mars pourrait être entreprise. Ils ont envisagé la possibilité de lancer l’engin spatial de récupération en 2026, les échantillons revenant trois ans plus tard.

Cette chronologie, ont-ils trouvé, était trop ambitieuse.

Mais si l’atterrissage sur Terre était repoussé à 2031, le calendrier semblait réalisable. “Nous pensons vraiment que nous pourrions le faire”, a déclaré M. Watzin.

La demande de budget de l’administration Trump pour la NASA pour l’exercice 2021 comprenait 233 millions de dollars pour poursuivre le développement, deux ans après que l’agence ait reçu 50 millions de dollars pour les études initiales. Le mois dernier, les 22 pays membres de l’Agence spatiale européenne ont donné leur feu vert à la collaboration avec la NASA.

L’équipe scientifique de Persévérance a déjà commencé une analyse géologique préliminaire sur ce qui devrait être ramené sur Terre.

“Nous nous sommes de plus en plus concentrés sur la façon de bien faire cet élément”, a déclaré Kenneth Farley, le scientifique du projet Persévérance. Nous sommes en quelque sorte passés d’un “oui, un jour ces échantillons seront ramassés” à un “oui, ils pourraient être ramassés très bientôt”. C’est une évolution importante.”

Les responsables de l’agence spatiale n’ont pas encore annoncé le prix total, mais le coût devrait s’élever à plusieurs milliards de dollars.

“Nous essayons de maintenir cela en dessous d’un certain objectif de coût”, a déclaré Brian K. Muirhead, qui dirige la conception du retour des échantillons au Laboratoire de propulsion par réaction. Nous sommes en train d’établir des estimations – “C’est ce que nous pensons qu’il faudra” – et jusqu’à présent, la NASA a dit “OK, continuez”.

Si tout se passe comme prévu, deux vaisseaux spatiaux s’envoleront vers Mars en 2026. L’un sera un atterrisseur construit par la NASA qui sera le véhicule le plus lourd jamais posé sur la surface de Mars. Il transportera un rover, construit par les Européens, pour aller chercher les échantillons de roches, et une petite fusée qui lancera les roches en orbite autour de Mars.

L’atterrisseur prendra une trajectoire circulaire vers Mars, pour arriver en août 2028, au début du printemps martien. Le fetch rover à énergie solaire quittera alors l’atterrisseur, se précipitera pour collecter au moins quelques échantillons de roche et les rapportera et les transférera à l’atterrisseur. Les échantillons, à leur tour, seront déplacés de manière robotisée vers le sommet du véhicule d’ascension de Mars, la fusée qui lancera les roches au large de Mars.

Le deuxième vaisseau spatial, le Earth Return Orbiter, sera construit par l’Agence spatiale européenne. Il se dirigera plus rapidement vers Mars, en se mettant en orbite avant l’arrivée de l’atterrisseur. Cela permettra à l’orbiteur de servir de relais pour les communications de l’atterrisseur lorsqu’il zoomera vers la surface.

Le lancement du véhicule d’ascension permettra de déposer un conteneur, de la taille d’un ballon de football, dont les échantillons de roche tourneront autour de Mars à environ 200 miles au-dessus de la surface. L’orbiteur doit ensuite trouver ce conteneur, comme un joueur de base-ball qui poursuit un ballon volant. L’orbiteur suivra le lancement de la fusée, mais pour simplifier, le conteneur lui-même ne possède ni propulseur ni balise radio. Il est cependant blanc, ce qui devrait permettre de le repérer plus facilement dans l’obscurité de l’espace.

“C’est évidemment l’une des questions clés : Comment le trouver ?” a déclaré M. Muirhead. “Une fois que vous savez où se trouve son orbite, il est très facile de la faire correspondre.”

Une porte sur l’orbiteur s’ouvrira pour capturer le conteneur. Un engin de 1 000 livres à l’intérieur de l’orbiteur tourne alors et fait glisser le conteneur dans la bonne configuration à l’intérieur du vaisseau spatial, en prenant soin de sceller la possibilité que tout ce qui vient de Mars puisse contaminer tout ce qui se trouve à l’extérieur du conteneur d’échantillon.

L’orbiteur quitterait alors Mars. En s’approchant de la Terre, il éjecterait les échantillons, maintenant montés dans ce qu’on appelle le véhicule d’entrée sur Terre, sur une trajectoire de collision avec le désert de l’Utah.

Les parachutes sont une autre complication que les ingénieurs ont jugée inutile. Le véhicule d’entrée, qui ressemble à un gros sombrero, doit donc toucher le sol à une vitesse comparable à celle d’un accident de voiture sur autoroute : 90 miles par heure.

La cargaison scientifique – des roches et de la terre, qui ne sont pas fragiles – survivra facilement à cet impact.

De nombreux détails, comme le lieu de pose de l’atterrisseur, restent indéterminés. Si Persévérance est toujours en bon état de marche, il pourrait se diriger vers un second site en dehors de Jezero où il y aurait pu y avoir des sources chaudes géothermiques, un autre environnement où la vie aurait pu prospérer.

Mais ces décisions ne doivent pas être prises avant des années, et les meilleures réponses peuvent ne pas apparaître tant que Persévérance n’aura pas bien vu Jezero.

Si une pièce se casse, la mission de retour d’échantillon n’échoue pas nécessairement. La persévérance fera probablement tomber certains des tubes d’échantillons sur le sol au cas où il y aurait un dysfonctionnement plus tard dans la mission. Si le fetch rover se casse, Persévérance pourrait alors apporter des échantillons à l’atterrisseur à la place.

Même si l’orbiteur tombe en panne, son conteneur de la taille d’un ballon de football contenant des échantillons pourrait rester en orbite autour de Mars pendant des années jusqu’à ce qu’un autre vaisseau spatial puisse être envoyé pour le rattraper.

“C’est mon travail d’architecte”, a déclaré M. Muirhead. “Penser le processus à partir du concept d’opérations, développer les concepts qui peuvent atteindre les objectifs des différentes phases et s’assurer qu’il y a de bonnes marges intégrées partout. Pour que la conception ne soit pas fragile”.