Sites d'atterrissage

La sélection d'un site d'atterrissage rentre pour une part importante dans le succès d'une mission et c'est un point qui ne doit absolument pas être négligé ou traité à la légère. Un site d'atterrissage inadéquat peut facilement aboutir à la destruction d'une sonde, ou réduire à néant les espoirs des chercheurs en rendant les instruments scientifiques totalement inutiles. Pour mettre au point une mission spatiale, de nombreuses personnes (ingénieurs, techniciens, scientifiques, chef de projets, administrateurs) investissent plusieurs années de leur vie. Il faut des années pour concevoir, construire, assembler, tester un engin spatial avant de pouvoir l'amener triomphalement sur le pas de tir. Et si le lancement se déroule sans incident, il faut encore patienter de longs mois, le temps pour la sonde de traverser les centaines de millions de kilomètres qui séparent la Terre de la planète rouge. Imaginez alors la tristesse qui peut s'abattre sur ces équipes lorsqu'elles découvrent stupéfaites, juste au moment ou la sonde a enfin atteint la surface rouillée de Mars, que tous leurs efforts n'ont finalement servi à rien.

Le processus de sélection d'un site d'atterrissage dure généralement plusieurs années et repose sur la prise en compte de trois paramètres : les objectifs scientifiques à remplir lors de la mission, les contraintes techniques à respecter pour l'atterrisseur et enfin les données disponibles pour évaluer les sites d'atterrissage potentiels.

Les objectifs scientifiques

En règle générale, l'objectif principal d'une mission spatiale est de mener à bien des investigations scientifiques. Quelquefois la sonde peut servir de démonstrateur technologique, mais hormis ce cas particulier, la raison de vivre d'un engin spatial est d'amener sain et sauf des instruments scientifiques - la charge utile - sur une planète, que ce soit en en orbite ou en surface.

Dans le processus de sélection du site d'atterrissage, les scientifiques vont tenter de choisir des régions qui présentent le plus grand intérêt par rapport aux objectifs qu'ils se sont fixés (la nature ou le mode de fonctionnement des instruments scientifiques peut aussi intervenir dans le processus de sélection).

Les exobiologistes, dont l'objectif est de rechercher les traces ténues d'une éventuelle vie martienne, vont se focaliser sur des roches sédimentaires, comme des calcaires. On peut espérer trouver de telles roches au fond d'anciens lacs martiens maintenant asséchés (dépôts lacustres, évaporites) ou au niveau des parois des formidables canyons de Valles Marineris. Les sources hydrothermales seront également des bons candidats, car la chaleur dégagée par l'activité hydrothermale a peut être permis à une poche d'eau de se maintenir à l'état liquide. Les géochimistes, eux, préfèreront les roches volcaniques en provenance du manteau ou des laves émises par des volcans, des matériaux qui ne sont pas vraiment idéaux pour rechercher des fossiles. Pour les climatologues, des prélèvements au niveau des calottes polaires seraient précieux pour étudier l'histoire climatique de la planète. Seul l'analyse de l'atmosphère met tout le monde d'accord : l'homogénéité atmosphérique à l'échelle planétaire ne pose effectivement aucune contrainte et tous les sites peuvent convenir.

L'intérêt scientifique d'une région donnée est principalement déterminé par l'interprétation d'images orbitales (ou plus rarement par l'étude de clichés obtenus en surface). En ce qui concerne Mars, toutes les études s'appuient sur les clichés envoyés par les sondes Viking ou la sonde Mars Global Surveyor. Les données obtenues par d'autres missions ayant connu un succès moindre (Phobos) sont cependant parfois utilisées. 

Histoire d'avoir une idée de la diversité des sites d'atterrissage, nous allons rapidement passer en revue les secteurs de la planète Mars les plus prometteurs d'un point de vue scientifique.

Les traces d'activité fluviale et lacustre

Les reliefs liés à une activité fluviale ou lacustre permettraient aux scientifiques d'en apprendre énormément sur le passé climatique de la planète Mars et le rôle joué par l'eau dans son évolution. Nous ne savons toujours pas à quoi ressemblait Mars dans sa jeunesse, et les scientifiques hésitent encore entre plusieurs modèles : un modèle chaud et humide (une atmosphère dense et un climat relativement doux auraient permis à l'eau d'exister sous forme liquide), un modèle froid et humide (l'eau était présente en grandes quantités, mais ne pouvait exister que sous la forme de glace, la planète étant un véritable frigo) et enfin un modèle froid et aride (qui dépeint une planète sèche et gelée, à l'instar des conditions actuelles).

Comme l'eau est indispensable à la vie telle que nous la connaissons, sa présence dans un passé plus ou moins lointain offre un intérêt indéniable pour la recherche d'éventuels microorganismes fossiles ou vivants. L'eau est un véritable fil conducteur pour la quête d'une vie martienne. De nombreux terrains de la surface martienne semblent avoir été façonnés par l'eau et les scientifiques ont inventorié plusieurs sites potentiellement intéressants. On trouve tout d'abord les réseaux hydrographiques d'âge noachien qui entaillent plus ou moins profondément les hauts plateaux cratérisés de l'hémisphère sud. L'origine de certaines de ces vallées n'est pas connue avec précision et ce point mériterait d'être éclairci. Certains scientifiques évoquent un sapement du à une circulation d'eau souterraine, alors que d'autres penchent pour un ruissellement de surface alimenté par des pluies. Ces vallées étant en général très étroites, il serait préférable d'atterrir au niveau de leur exutoire, souvent plus large.

Les vallées de débâcles (ou chenaux d'inondation), plus jeunes que les réseaux hydrographiques (age hespérien) et formées dans des conditions plus violentes, représentent aussi un site de choix. Le site d'atterrissage de la sonde Pathfinder (décrit en détails ci-dessous) avait justement été choisi au niveau d'un chenal d'inondation, Ares Vallis. Les dépressions fermées (cratères d'impact, canyons de Valles Marineris) ou l'eau a pu séjourner un certain temps pour former des lacs ou des mers intérieures sont également des cibles de choix.

Les traces d'activité volcanique ou hydrothermale

Les reliefs volcaniques, que ce soit des édifices volcaniques ou des plaines de laves, intéressent particulièrement les géologues. Dans les régions noachiennes il existe encore des enclaves de terrains vieux de plusieurs milliards d'années qui n'ont pratiquement pas été dégradés ou altérés (comme la région de Sinus Meridiani ou le volcan Tyrrhena Patera). Plus au nord, on tombe sur des matériaux plus jeunes, comme des coulées de lave crachées par des volcans d'age hespérien. Toutes ces roches constituent de véritables archives qui racontent l'origine et l'évolution de la planète Mars. Il suffirait d'atterrir sur quelques sites choisis avec soin pour remonter dans le temps et avoir directement accès aux principales périodes de l'histoire géologique martienne.

Les roches volcaniques permettraient également d'étudier la croûte martienne et la composition interne de la planète. En datant de manière absolue les différents terrains volcaniques (in-situ ou en laboratoire après un retour d'échantillons), les géologues pourraient aussi établir une chronologie martienne digne de ce nom.

L'étude des sources hydrothermale intéresserait non seulement les volcanologues et les géologues, mais aussi les exobiologistes, puisque ces sources constituent des milieux favorables à l'éclosion ou à la survie d'éventuels microorganismes martiens. L'arrivée de magma à proximité de la surface a également pu favoriser des écoulements d'eau liquide en provoquant la fonte massive de la glace du sous-sol. Sur les flancs de certains volcans, on observe des chenaux qui semblent différents des coulées de lave. On peut citer en exemple les rigoles qui zèbrent le volcan Apollinaris Patera ou la formidable vallée Dao Vallis à proximité du volcan Hadriarca Patera.

Autres sites scientifiquement intéressants

D'un point de vue géologique, la planète Mars est très complexe et présente une multitude de sites potentiellement intéressants : on peut citer l'immense déchirure de Valles Marineris (qui constitue une véritable fenêtre sur l'intérieur de la planète), les dépôts stratifiés des calottes polaires (ces terrains, que la sonde Mars Polar Lander devait étudier, sont considérés comme des enregistrements de l'histoire climatique martienne), la frontière entre les hauts plateaux de l'hémisphère sud et les basses plaines de l'hémisphère nord (qui permettrait de comprendre l'origine de l'énigmatique dichotomie martienne) ou encore les zones magnétisées.

Les contraintes techniques

Si les scientifiques devaient seulement se battre entre eux comme des chiffonniers pour choisir le site d'atterrissage idéal, la situation serait idyllique. Malheureusement, les ingénieurs ont également leur mot à dire, et ils ont assez d'arguments de leur côté pour faire un raffut de tous les diables. Car de très nombreuses limitations, imposées par l'atterrisseur lui-même, peuvent peser sur la région qui sera finalement retenue. Un site très intéressant d'un point de vue scientifique peut très bien (et c'est souvent le cas) ne pas être compatible avec des paramètres techniques. Tout est donc affaire de compromis.

Histoire de fixer les idées, voici ce que pensait le célèbre astronome Carl Sagan de la sélection des sites d'atterrissage des sondes Viking dans son livre Cosmos: "Les contraintes étaient donc nombreuses, trop nombreuses peut-être. Il nous fallait un lieu ni trop haut, ni trop exposé aux vents, ni trop rapproché des pôles, au sol ni trop dur ni trop mou, ni trop accidenté. Qu'il existe à la surface de Mars des endroits qui satisfassent simultanément à toutes ces conditions était déjà bien beau. Mais il apparaissait aussi clairement que s'ils étaient les plus sûrs possible, les lieux d'atterrissage que nous avions choisis semblaient totalement inintéressants".

Voyons donc en détails quelles sont les fameuses contraintes dont parlait Carl Sagan. 

La latitude

Les sites d'atterrissage sont préférentiellement choisis à proximité de l'équateur ou dans la bande équatoriale, et ce pour deux principales raisons. Dans ces régions l'ensoleillement assure non seulement un bon rendement aux panneaux solaires (qui représentent souvent la seule source d'énergie dont dispose une sonde), mais les températures relativement clémentes permettent également de faire l'économie de protections thermiques lourdes et coûteuses.

Les conditions rencontrées (températures, ensoleillement) dépendent cependant de la saison, qui dépend elle-même de la mécanique céleste. Un atterrissage sur Mars ne peut effectivement pas avoir lieu à tout instant, et le ballet continuel des planètes autour du Soleil impose de respecter des fenêtres de tir (une opportunité de lancement tous les deux ans dans le cas de Mars).

Dans une mission de retour d'échantillons, l'équateur offre un avantage supplémentaire : une fusée lancée depuis l'équateur martien bénéficie d'un supplément non négligeable de vitesse. Effectivement, si tous les objets situés au sol sont entraînés par la rotation de la planète, ils ne se déplacent pas tous à la même vitesse, celle-ci étant maximale à l'équateur et nulle au pôle (si les fusées Ariane partent de Kourou en Guyane, ce n'est pas pour rien !).

Notons aussi que la latitude influe sur les communications. Ainsi, les atterrisseurs Viking ne pouvaient pas atterrir dans des régions situées au-delà de 45° ou 50° de latitude, car les communications avec la Terre auraient été trop brèves.

Plaidoyer pour les RTG

Nous venons de le voir, la latitude influe sur un grand nombre de facteurs et en particulier sur le bilan énergétique. Une sonde dotée de panneaux solaires est pratiquement forcée d'atterrir à l'équateur, ou alors ses possibilités seront extrêmement limitées. Or si l'on se cantonne aux régions équatoriales pour pouvoir faire fonctionner des panneaux solaires et bénéficier de températures clémentes qui permettent de faire des économies de chauffage, jamais nous n'irons visiter sérieusement les hautes latitudes ou les régions polaires.

Il existe pourtant un moyen élégant de s'affranchir de la contrainte de la latitude (en excluant le problème des télécommunications, que l'on peut résoudre avec un réseau de type Mars Network). Il suffirait d'utiliser une source d'énergie moins capricieuse et plus efficace que les panneaux solaires. Ceux-ci ne constituent de toute façon pas une solution idéale. Leur efficacité dépend non seulement de l'ensoleillement, mais aussi d'autres facteurs météorologiques comme la présence de nappes de brouillard ou de poussières dans l'air. La mission Pathfinder a montré que le rendement des panneaux décroît en fonction du temps, principalement à cause de la couche de poussière qui ne cesse de s'accumuler à leur surface. De plus, des conditions météorologiques particulièrement mauvaises, contre lesquelles on ne peut rien, peuvent très bien ruiner la mission. Enfin, les panneaux ne fonctionnent pas durant la nuit, et la sonde est alors obligée de basculer sur des batteries qu'il faut recharger en permanence. Les batteries constituent un élément critique qui conditionne souvent la durée de vie d'une sonde. Après quelques mois de fonctionnement, la batterie n'est en général plus bonne à rien (c'est d'ailleurs un épuisement des batteries qui a provoqué la mort de la sonde Pathfinder).

Problème de batterie ou baisse du rendement des cellules photoélectriques, les sondes qui s'appuient sur des panneaux solaires ne font en général pas long feu. Ainsi, la sonde Mars Polar Lander, si elle avait réussi son atterrissage, n'aurait pu fonctionner que durant trois mois. Le soleil aurait fini par être trop bas sur l'horizon pour permettre aux panneaux solaires de recueillir assez d'énergie. Mars Polar Lander n'aurait alors pas pu résister longtemps aux rigueurs des froides soirées polaires, qui ne cessaient de s'allonger avec l'arrivée de l'automne. La mise au point d'une sonde spatiale demande de longues années, alors que la durée de son fonctionnement à la surface se compte actuellement en mois. Question rentabilité, on peut mieux faire !

Quel autre dispositif pourrait-on utiliser à la place du couple panneaux solaires/batteries ? La réponse tient en trois lettres : RTG, abréviation de générateurs thermoélectriques radio isotopiques. Ces cellules à énergie utilisent la décomposition radioactive de certains éléments (comme le plutonium) pour produire du courant électrique ou de la chaleur. En 1976, les sondes Viking étaient équipées d'un tel dispositif. Leur durée de vie nominale était de 90 jours, mais l'atterrisseur Viking 1 a fonctionné pendant six années à la surface de Mars. Six ans ! Avouez que cela fait réfléchir non ?

Avec un RTG, vous pouvez chauffer votre sonde et alimenter pendant des années tous ses instruments, même les plus gourmands, et cela à toutes heures de la journée, quelle que soit la saison. Bien entendu, si cette solution miracle est si peu utilisée, ce n'est pas uniquement à cause de son coût prohibitif (les panneaux solaires sont effectivement plus économiques). Les agences spatiales, et la NASA en particulier, doivent également faire face à des pressions de la part d'associations de pseudo écologistes, pour qui un RTG est synonyme d'explosion nucléaire et de pollution radioactive sur une échelle planétaire. Mais je sens poindre l'énervement, donc fermons cette parenthèse sur les RTG et continuons avec un autre paramètre technique assez contraignant, l'altitude.

L'altitude

Lors de leur descente vers la surface de Mars, les atterrisseurs sont obligés de ralentir et à un moment ou un autre intervient un freinage sous parachute. Plus l'altitude du site d'atterrissage sera basse, plus la sonde aura à traverser une couche d'atmosphère importante, et plus le freinage sera efficace. Ainsi, il est hors de question de faire atterrir une sonde au sommet du volcan Olympus Mons, qui culmine à 26 kilomètres d'altitude. Le peu d'atmosphère qui reste au-dessus de cet édifice géant ne permettrait pas à un parachute de freiner suffisamment la sonde et celle-ci s'écraserait violemment à l'arrivée. Notons aussi que les vents ne doivent pas être trop violents, histoire que la sonde ne soit pas trop ballottée pendant la descente.

La pente

Pour l'équipe technique, un site d'atterrissage idéal est une région aussi plate et monotone qu'un terrain de tennis. Une pente abrupte, un escarpement, un fossé ou un cratère d'impact hantent les pires cauchemars des ingénieurs. L'inclinaison du site ne doit pas en général dépasser 10 à 15 %. Au-delà, l'atterrisseur risquerait de tomber à la renverse ou de glisser en bas de la pente. L'inclinaison conditionne également le fonctionnement des panneaux solaires. Si la pente est trop forte, ils risquent de ne pas être dirigés correctement vers le Soleil, ce qui réduirait leur rendement et pourrait conduire à un sérieux problème d'alimentation énergétique de l'engin (on se refait le couplet sur les RTG ?).

La rugosité du terrain

La nature même du terrain est également importante pour un atterrissage. Si celui-ci est trop caillouteux, la sonde risque d'être endommagée au moment de l'atterrissage. Si les pierres qui jonchent le sol sont trop grosses, elles peuvent même provoquer la pulvérisation pure et simple de l'engin (à moins que celui-ci ne supporte le choc et ne se retrouve en fragile équilibre au sommet de la pierre !). De la même façon, les ingénieurs vont chercher à éviter des terrains trop meubles (accumulation de poussières ou de sédiments) pour éviter un enlisement de type "sable mouvant".

Les jeux de données

Nous venons de le voir, les paramètres à prendre en compte pour choisir un site d'atterrissage sont relativement nombreux. Une bonne connaissance préalable des différents sites potentiels est donc de rigueur et les scientifiques disposent pour cela d'un certain nombre de jeux de données. Le hic, c'est que certains paramètres sont plus difficiles à quantifier que d'autres.

Certaines caractéristiques du terrain sont facilement accessibles. Une simple simulation sur ordinateur permet par exemple de prédire facilement les températures et l'ensoleillement d'un site, suivant sa latitude et la date de l'atterrissage. Grâce à l'altimètre laser de la sonde Mars Global Surveyor, l'altitude et la topographie d'un site peuvent maintenant être connus avec une excellente précision (à 30 centimètres près). Avant l'arrivée de Mars Global Surveyor, les équipes chargées de la sélection d'un site d'atterrissage devaient s'appuyer sur les données Viking, beaucoup moins précises.

Les images de surface

Les caméras embarquées sur les sondes permettent de détecter des obstacles dangereux (dunes, ravines, rochers). Les photographies à haute résolution prises par la sonde Mars Global Surveyor (résolution de 1,4 mètres/pixel) sont aujourd'hui d'une grande aide. Auparavant, il fallait utiliser les images Viking à basse ou moyenne résolution (de 500 à 25 mètres/pixel). Mars Global Surveyor a prouvé qu'une bonne partie de la planète était recouverte par des dunes de sable ou de poussière, trop petites pour pouvoir être distinguées sur les images des Viking, mais qui sont pourtant présentes dès qu'une région n'est pas exposée à des vents trop violents. Ces dunes pourraient compliquer sensiblement un atterrissage en le rendant dangereux ou hasardeux.

Il arrive cependant que les images soient trompeuses, comme le montre un étonnant paradoxe qui semble concerner la totalité de la planète et qui a été mis en évidence par (encore elle !) Mars Global Surveyor. Les terrains qui apparaissent rugueux et accidentés sur les clichés des sondes Viking se transforment en terrains parfaitement plats à l'échelle du mètre sur les photographies de Mars Global Surveyor. Inversement, une zone qui apparaît parfaitement lisse et régulière sur une photographie à grande échelle de Viking n'a plus du tout le même aspect sur une photographie haute résolution de Mars Global Surveyor. A l'échelle du mètre, la surface est rugueuse, criblée de dépressions et de crêtes de quelques mètres de hauteur.

Rugosité et abondance en rochers

L'imagerie thermique permet de déduire la rugosité du terrain et l'abondance des roches. Les spectromètres infrarouges des sondes Viking, Mars Global Surveyor (ou même Phobos) permettent de déterminer un paramètre particulier, l'inertie thermique, qui est relié à la rugosité. L'inertie thermique d'un terrain représente sa capacité à conserver la chaleur. Dans la journée, les rayons du soleil chauffent la surface martienne, qui emmagasine une certaine quantité de chaleur. Le soir venu, les terrains évacuent cette chaleur en rayonnant dans l'infrarouge. Selon sa nature, le terrain va se refroidir plus au moins vite.

Si la surface est principalement constituée de poussière, elle va perdre assez vite sa chaleur. Au contraire, si le site est rocheux, les cailloux vont conserver plus longtemps leur chaleur. Le phénomène inverse à lieu au petit matin. Un site poussiéreux se réchauffera plus vite sous les rayons du soleil qu'un secteur rocheux. Si un site possède une faible inertie thermique, les ingénieurs suspecteront donc la présence de poussière. Au contraire, un site avec une forte inertie thermique sera probablement rocheux. Pour mesurer l'inertie thermique, les équipes de sélection se sont jusqu'à aujourd'hui appuyées sur l'instrument IRTM des orbiteurs Viking, mais ces données vont probablement être supplantées par celles du TES, le spectromètre infrarouge de Mars Global Surveyor.

Après calculs, il est également possible de déduire de l'inertie thermique l'abondance en rochers, c'est à dire la densité et la taille des roches qui jonchent le sol. Mais cette méthode a été récemment contestée après l'examen des images à haute résolution de Mars Global Surveyor et elle ne serait pas aussi fiable que prévue.

L'apport du radar

Pour la sélection des sites d'atterrissage des Viking en 1976, les meilleures photographies prises par la sonde Mariner 9 ne montraient que des détails d'une taille supérieure à 90 mètres de large, et les images renvoyées par les orbiteurs après leur insertion orbitale n'avaient pas une meilleure résolution. Il était donc impossible de distinguer des rochers de quelques mètres qui représentaient un danger mortel pour les atterrisseurs. Or les sondes Viking frôlaient le milliard de dollars. On peut facilement imaginer le dilemme de la personne qui devait donner le feu vert pour la descente !

Pour obtenir de plus amples informations, la surface a donc été examinée au radar, qui permet de mesurer l'inégalité et la dureté du sol. Une surface très rocailleuse diffuse dans de nombreuses directions les ondes radios. Comme elle ne renvoie vers le radar que très peu de faisceaux radios, elle apparaît sous la forme d'une tache sombre. Un sol mou, constitué par exemple de sable, se comporte de la même manière et au radar, il apparaît également sous la forme d'une étendue sombre. On voit que le radar n'est pas capable de distinguer une surface caillouteuse d'un sol très meuble, mais ce n'est finalement pas un problème, car les deux types de terrains sont à éviter pour un atterrisseur. Il faut donc choisir préférentiellement des zones claires au radar.

Les données radar sont donc d'une aide précieuse lors de la sélection d'un site d'atterrissage, mais les observations ne sont pas disponibles pour la totalité du globe martien. Pour étudier la surface martienne au radar, les scientifiques doivent utiliser des télescopes terrestres, car aucune sonde équipée de son propre radar n'a pour l'instant été envoyée vers Mars (la première sera Mars Express en 2003). Etant donné la position relative des deux planètes dans l'espace, certaines zones restent invisibles aux radiotélescopes terrestres et seule la bande équatoriale située entre 25° de latitude nord et 25° de latitude sud peut être analysée.

Le rôle de la chance

Quelle que soit les précautions prises lors de la sélection d'un site, la chance a toujours son mot à dire. Pour l'atterrisseur Viking 1, le sondage radar avait indiqué que le site de Chryse Planitia ne pouvait pas posséder de rochers plus hauts que 15 centimètres. Mais la pratique diffère parfois de la théorie. Sur les premières images du site, les scientifiques stupéfaits vont découvrir un énorme rocher (baptisé Big Joe) de 1 mètre de hauteur pour 3 mètres de large, posé nonchalamment à moins de 10 mètres de l'atterrisseur ! La garde au sol de ce dernier n'était que de 22 centimètres. Si Viking avait atterri sur Big Joe, l'atterrisseur aurait été endommagé de manière irréversible. Malgré tout notre savoir, malgré l'effarante complexité des sondes spatiales et les sommes gigantesques que nous investissons dans leur réalisation, nous sommes encore à la merci d'un simple caillou lorsqu'il s'agit d'atterrir sur une autre planète ... 

L'ellipse d'incertitude

Desiderata des scientifiques contre contraintes techniques, jeux de données incomplets ou non fiables, la situation n'est pas de tout repos. Mais un dernier point vient encore compliquer l'équation de la sélection d'un site d'atterrissage : il s'agit de l'incertitude qui pèse sur le point exact ou l'atterrisseur touchera à la surface martienne.

Cette zone d'incertitude possède la forme d'une ellipse, qui est allongée dans la direction suivie par la sonde lors de la rentrée atmosphérique. Nos moyens actuels ne nous permettent pas d'atterrir avec une grande précision et le demi-grand axe de l'ellipse est généralement d'une centaine de kilomètres. Et c'est la que ça coince ! Car à l'intérieur de cette ellipse, tous les paramètres techniques doivent se vérifier pour 99% de sa surface, ce qui représente une énorme contrainte et diminue encore d'autant le nombre des sites d'atterrissage potentiels.

Imaginez un peu. Vous trouvez à proximité de l'équateur un magnifique petit lac asséché, dont vous êtes sûr qu'il est rempli de sédiments fossilifères. Le site est tellement excitant qu'il rend vos nuits moites. Bonheur suprême, tous les paramètres sont dans les normes : La région est assez basse pour un freinage par parachute, la latitude vous assure un bon ensoleillement, le terrain est plat, dur mais pas trop, sans aucun caillou, et il n'y a jamais de vent. Seulement voilà, les ingénieurs n'arrivent pas à tracer autour du site une ellipse ou l'un des paramètres, la pente, reste dans des valeurs acceptables. Vous pouvez dire adieu à votre lac asséché ...

L'ellipse d'incertitude pour Viking mesurait 300 km de longueur (grand axe) pour 100 kilomètres de large (petit axe). Pour Pathfinder, les dimensions étaient de 200 kilomètres sur 100 kilomètres, et de 200 kilomètres sur 20 kilomètres pour Mars Polar Lander. Une amélioration des techniques de navigation et de guidage pendant la phase de descente permettrait de réduire considérablement l'étendue de l'ellipse d'incertitude, d'effectuer des atterrissages de précision et d'atteindre, oh bonheur suprême, le petit lac asséché dont nous parlions à l'instant.

Améliorations des techniques d'atterrissage

Jusqu'à maintenant, dans le processus de sélection des sites d'atterrissage, il a toujours été plus question de se poser sans risque que de choisir la meilleure région d'un point de vue scientifique. Mais ce n'est certainement pas une méthode qu'il faudra continuer à appliquer si l'on veut faire progresser nos connaissances sur la planète rouge. D'un autre côté, la perte de Mars Polar Lander a montré que la technique même de l'atterrissage n'était pas encore maîtrisée. Avant de prendre des risques, il va encore falloir s'entraîner sur des sites faciles mais inintéressants.

Pour éviter à l'avenir de nouveaux échecs lors de cette phase critique qu'est l'atterrissage, les sondes devront être dotées de systèmes d'évitement de dangers. En cas de nécessité, les atterrisseurs pourront ainsi corriger eux-mêmes leur trajectoire en se tenir à l'écart des éventuels dangers du site d'atterrissage (pente inclinée, rochers volumineux). Ce système pourrait prendre la forme d'une altimètre laser qui balayera le site d'atterrissage pour construire une carte en 3 D, que l'ordinateur analysera pour repérer des obstacles. Un guidage optique est aussi envisageable. Grâce à une caméra, la sonde pourrait photographier au cours de sa descente la région survolée. L'image obtenue serait ensuite comparée à une carte en mémoire, ce qui permettrait à l'engin d'affiner sa trajectoire et de se diriger avec précision vers le site choisi.

La reconnaissance des sites d'atterrissage devra également être améliorée, grâce à de l'imagerie très haute résolution ou par l'intermédiaire de microsondes envoyées en éclaireurs (comme le concept des bombes proposé dans le cadre des micromissions). Enfin, la mise en place d'un réseau de télécommunications de type Mars Network en orbite martienne permettra de gagner en précision lors des atterrissages. L'idéal serait de disposer d'un système de navigation capable de supporter des atterrissages d'une précision exceptionnelle, qui permettrait par exemple de poser une sonde entre deux collines ou au fond d'un ravin, sans courir le risque qu'elle vienne heurter les parois verticales.

Deux exemples de sites d'atterrissage

Le site d'atterrissage de Pathfinder

Le 4 juillet 1997, la sonde Pathfinder a atterri dans la région d'Ares Vallis. Le site avait été sélectionné grâce aux images des sondes Viking et du télescope spatial Hubble. Il n'avait pas été choisi au hasard, on s'en doute, et les deux types de considérations que nous avons présenté plus haut avaient été prises en compte.

Il fallait dans un premier temps que l'atterrissage se déroule en toute sécurité. La sonde Pathfinder devait utiliser un parachute pour se poser en douceur. Fort heureusement, Ares Vallis est l'une des régions les plus basses de Mars, à 1,5 km en dessous du niveau moyen de référence (l'équivalent sur Terre du niveau de la mer). Ares Vallis est également à l'intérieur d'une bande de 15° de part et d'autre de l'équateur martien. Ainsi la sonde Pathfinder a profité d'un approvisionnement suffisant en énergie solaire. Enfin, Ares Vallis est une région très plate, ce qui a facilité l'atterrissage en diminuant les risques de se retrouver sur une pente abrupte.

Le deuxième type de considération était scientifique. Le site d'atterrissage se situe en effet  dans la zone de confluence de deux immenses chenaux d'inondation, Ares Vallis et Tius Vallis. Ares et Tius prennent tous les deux leur source dans une région chaotique. Ils parcourent des centaines de kilomètres à travers des unités géologiques qui couvrent les principales périodes de l'histoire géologique martienne. Ares Vallis prend sa source 800 km plus au sud, dans les hauts plateaux de l'hémisphère austral datant du noachien avant de traverser des régions plus jeunes au nord datant de l'hespérien inférieur. Le site d'atterrissage lui-même semble dater de l'hespérien. Il était alors logique de penser que tout au long de leur trajet, les flots rugissants avaient arraché de nombreux matériaux aux parois rocheuses, avant de les charrier sur des centaines de kilomètres pour finalement les abandonner en aval. Le site d'atterrissage de Pathfinder devait donc être très riche d'un point de vue géologique. Sa surface devait présenter des roches d'origine diverses, rassemblées la gratuitement par le bon vouloir de la plus formidable inondation de la planète rouge (cette technique ou l'on attend de l'eau qu'elle fasse tout le travail est connue sous le nom de grab bag).

En examinant ces échantillons de l'histoire martienne, Pathfinder aurait pu répondre à de nombreuses questions : y a-t-il vraiment eu de l'eau liquide sur Mars ? L'atmosphère était-elle plus épaisse, le climat plus clément dans le passé ? L'inondation a-t-elle fait intervenir de l'eau de surface ? Y a-t-il des traces de coulées de lave, de boue, de glace ? Quelle est la composition des roches des hauts plateaux de l'hémisphère sud ? Et celle des autres roches ?

Il a malheureusement fallu se de rendre à l'évidence. Les inondations qui ont façonné Ares Vallis, malgré leur puissance titanesque, n'ont pas pu transporter sur 800 km les roches des hauts plateaux du noachien. La plupart des rochers du site étaient angulaires, alors que l'on s'attendait à des roches aux angles émoussés. Les cailloux qui parsemaient le site d'atterrissage de Pathfinder avaient donc plutôt une origine locale et les promesses de la technique du grab bag n'étaient pas au rendez-vous.

Pathfinder a prouvé qu'il était possible d'atterrir dans un terrain accidenté sans courir trop de risques. Son système d'airbag lui a en effet permis d'atteindre Ares Vallis sain et sauf. Ares Vallis était le site d'atterrissage initial retenu pour l'atterrisseur Viking 1. Après une étude orbitale menée par l'orbiteur Viking 1, il avait finalement été abandonné au profit d'un terrain plus plat et moins dangereux dans la plaine de Chryse Planitia. 20 ans plus tard, grâce à l'ingénieux système d'atterrissage de Pathfinder, nous avons pu finalement explorer Ares Vallis. Lorsque ce site a été sélectionné par les responsables de la mission Pathfinder, la décision n'a pas fait l'unanimité, surtout parmi les anciens de Viking, qui n'ont pas hésité à qualifier ce choix d'inconscient. Aujourd'hui, avec le recul, il est facile de reconnaître que les responsables de Pathfinder ont fait le bon choix, mais il faut également saluer leur courage pour avoir choisi un site d'atterrissage difficile d'accès en dépit de nombreuses critiques émanant de leurs collèges.

Le site d'atterrissage potentiel des rovers américains de 2003

Si l'atterrisseur de la mission Mars Surveyor 2001 n'avait pas été annulé, il aurait pu se poser juste au sud de la bordure du vaste bassin d'impact d'Isidis Planitia. Cette vaste dépression circulaire de 1000 kilomètres de diamètre se trouve à 15° au nord de l'équateur. Elle est délimitée à l'ouest par la tache sombre triangulaire de Syrtis Major Planum et au sud par une chaîne montagneuse, Lybia Montes.

Isidis Planitia est une région très basse et au moment des grandes inondations, elle a pu constituer un bassin de drainage particulièrement important, comme tendent à le prouver les anciennes vallées qui y conduisent ainsi que les lacs asséchés que l'on trouve disséminés sur son pourtour. Certaines formations observées au niveau de son plancher pourraient être des embouchures de sources chaudes. Si ce que l'on pense actuellement d'Isidis Planitia est vrai, alors cette région est l'une des plus prometteuses pour la recherche de roches sédimentaires ou de dépôts hydrothermaux qui pourraient contenir en leur sein des fossiles d'une éventuelle vie martienne. Le bassin d'Isidis Planitia possède également des reliefs escarpés et la caméra de Mars Surveyor 2001 aurait peut-être pu y apercevoir les empilements de couches rocheuses qui intéressent tant les géologues. Enfin, les photographies de Mars Global Surveyor montrent que la région possède plusieurs sites ou un atterrissage est possible dans de bonnes conditions. Il est donc probable que ce site prioritaire soit affecté à l'un des deux rovers américains de 2003.

Pour en savoir plus :

Go ! Chroniques martiennes : La sélection d'un site d'atterrissage : un choix difficile, un risque calculé !
Go ! Chroniques martiennes : La surface martienne trop accidentée (partie 1 et 2).

Le paradoxe de Mars Global Surveyor

La sonde Mars Global Surveyor a permis, grâce à la résolution élevée de sa caméra (1,5 à 4,5 mètres/pixel) d'obtenir des vues de la surface martienne à l'échelle du mètre. La comparaison des images de Mars Global Surveyor avec les images à basse résolution obtenues par les sondes Viking et Mariner 9 a permis de dégager une règle un peu paradoxale mais qui se révèle juste dans la plupart des cas. Si le terrain est d'aspect rugueux à l'échelle de la centaine de mètre ou du kilomètre sur les images Viking et Mariner 9, il apparaît parfaitement régulier et lisse sur les images métriques de Mars Global Surveyor, comme le montre l'image ci-dessus. A gauche, un cliché Viking de la région d'Amenthes Rupes. A droite, une vue rapprochée (petit cadre blanc) de la même région obtenu par Mars Global Surveyor. Le paradoxe marche dans les deux sens : un terrain lisse pour Viking ou Mariner 9 apparaîtra particulièrement accidenté sur les images détaillées de Mars Global Surveyor (Crédit photo : droits réservés).

Carte de l'albédo du site d'atterrissage de Mars Polar Lander

Cette image a été prise par l'IRTM (Infrared Thermal Mapper) d'un Viking. C'est une carte de l'albédo de la région polaire sud, site d'atterrissage de la sonde Mars Polar Lander. L'albédo du site d'atterrissage principal (76° S, 195° W) est plus faible que celui du site d'atterrissage des sondes Viking. Des études ont montré que la probabilité de trouver des rochers imposants et un terrain accidenté est plus faible sur une région de faible albédo (Crédit photo : NASA/JPL).

Carte de l'albédo de la surface martienne

Carte de l'albédo de la surface martienne. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).

Carte de l'inertie thermique de la surface martienne

Carte de l'inertie thermique de la surface martienne. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).

Carte altimétrique de Mars (Elysium Mons)

Grâce à l'altimètre laser de la sonde Mars Global Surveyor, les scientifiques disposent de données topographiques extrêmement précises qui remplacent avantageusement les anciennes données des sondes Viking. La hauteur des reliefs peut être connue à 30 centimètres près (Crédit photo : NASA/JPL/MOLA Team).

Carte topographique de Mars

Carte topographique de Mars. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).

Freinage sous parachute

Sur cette image, un atterrisseur va tenter de se poser sur la surface martienne. L'atterrissage d'une sonde comporte en général trois étapes. La première consiste à traverser l'atmosphère martienne. La friction de l'air produit un freinage efficace, la sonde étant alors protégé de l'important dégagement de chaleur par un bouclier thermique. La deuxième étape consiste à déployer un parachute qui complète le freinage. Celui-ci est spécialement étudié pour l'atmosphère martienne. Il comprend deux sections séparées par une bande sans tissu. Plus le temps de descente dans l'atmosphère est important, meilleur est le freinage. L'atmosphère de Mars est cependant 100 fois moins dense que celle de la Terre, et l'atterrissage d'une sonde avec un parachute n'est pas une manœuvre aussi simple que l'on pourrait le croire. Une manière de compenser la faible densité de l'atmosphère est de choisir des zones très basses, pour augmenter le trajet dans l'atmosphère martienne (Crédit photo : Daniel Mass/JPL).

Atterrissage avec rétrofusées

La troisième étape de l'atterrissage, l'approche finale, est la plus délicate. Les atterrisseurs conventionnels (comme Viking ou Mars Polar Lander) tentent d'atterrir sur leurs pieds avec des rétrofusées. Cette méthode n'est pas adaptée à des terrains accidentés. L'atterrisseur peut effectivement aisément basculer s'il pose un pied sur une pente un peu trop élevée ou un caillou un peu trop gros. Dans ce cas, il est préférable d'utiliser des airbags, comme ceux de la sonde américaine Pathfinder (Crédit photo : Daniel Mass/JPL).

Le site d'atterrissage de Pathfinder

Le site d'atterrissage de Mars Pathfinder dans Chryse Planitia, à l'embouchure d'Ares Vallis. Le chenal débouche en bas à droite. Mars Pathfinder a atterri dans une ellipse de 200 km x 100 km. La région d'Ares Vallis avait d'abord été destinée à un atterrisseur Viking, mais les scientifiques s'étaient ravisés à la dernière minute en découvrant la nature accidenté du site. La où Viking aurait pu échouer, Pathfinder s'est posé avec succès, grâce à sa grappe d'airbags (Crédit photo : NASA/JPL).

L'atterrisseur Viking 1 a atterri à quelques mètres d'un rocher imposant. Baptisée Big Joe, cette caillasse mesure 1 mètre de haut pour 3 mètres de large. D'après les données radars, le site d'atterrissage de Viking 1 était parfaitement sûr et il ne devait pas posséder de cailloux plus hauts que 15 centimètres ! Malgré nos efforts pour lui clouer le bec, la chance a toujours son mot à dire lors d'un atterrissage à la surface de Mars (Crédit photo : NASA/JPL).

Ellipse d'incertitude de Mars Polar Lander

Lors d'un atterrissage, il existe une certaine incertitude sur le point exact ou l'atterrisseur rencontrera la surface. La zone dans laquelle les chances d'atterrissage sont de 99 % prend la forme d'une ellipse. L'image ci-dessus montre la zone d'incertitude de la sonde Mars Polar Lander (en bleu), une ellipse assez étroite de 200 kilomètres de longueur pour 20 kilomètres de large (Crédit photo : NASA/JPL).

Diversité géologique de l'ellipse d'atterrissage de Mars Polar Lander

A l'intérieur de l'ellipse de Mars Polar Lander, les terrains étaient géologiquement très variés. Une aubaine pour les scientifiques, mais une source d'ennui pour les ingénieurs. Le schéma ci-dessus montre la géologie des terrains dans une bande située au centre de l'ellipse (le rectangle orange de l'image précédente). La couleur orange ou vert pâle indique un terrain rugueux aux nombreuses aspérités (crêtes et arêtes, ravines et dépressions). Le rose indique un terrain peu accidenté, parsemé ci et là de petites protubérances (accumulation de rochers par exemple). La zone noire indique la présence de dunes de sable. Le secteur jaune correspond à des crêtes et des dépressions, avec des pentes parfois importantes. Seule la partie vert foncé située en bas de la bande présente une topographie plate. Pour beaucoup, le site d'atterrissage de Mars Polar Lander était inadapté. La disparition de la sonde le 3 décembre 1999 au-dessus des terres polaires australes a prouvé de façon cruelle que le choix d'un site ne se faisait pas à la légère (Crédit photo : NASA/JPL).

Traces d'ecoulement dans Gorgonum Chaos

Image de Mars Global Surveyor montrant des traces d'écoulements liquides très nettes sur le flanc d'un cratère d'impact dans la région de Gorgonum Chaos. Le message envoyé par la planète Mars semble très clair : si vous voulez faire des découvertes intéressantes, arrêtez un peu de jouer la facilité lors des atterrissages et prenez des risques, que diable ! (Crédit photo : Malin Space Science Systems/NASA).

 

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