MAVEN, Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission

La mission MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission) fait partie du programme Scout, auquel appartenait déjà l'atterrisseur Phoenix. L'objectif de ce programme est de permettre le développement de sondes avec une enveloppe budgétaire modeste, inférieure à 450 millions de dollars (hors coût de lancement), sans aucun compromis sur les chances de succès. Lors de sa mise en place, il s'agissait pour la NASA de réagir au fiasco cuisant de l'échec coup sur coup des engins Mars Climate Orbiter, détruit lors de l'insertion en orbite martienne, et de Mars Polar Lander, disparu corps et âme lors de son atterrissage. Ces deux missions volaient sous la bannière du programme "faster, better and cheaper", ce qui signifie en français plus rapide, mieux et moins cher. Celui-ci avait pourtant commencé sous une bonne augure avec le succès de la mission Pathfinder, mais il a finalement abouti à une situation que l'on pourrait résumer par plus rapide, pas mieux et désastreux en termes de résultats.

L'atterrisseur Phoenix, qui inaugurait le programme Scout et qui avait la lourde tâche de succéder à Mars Polar Lander, a montré que la NASA avait sérieusement tiré les leçons de ses échecs, mais la mission elle-même s'est révélée très frustrante, la sonde n'ayant par exemple pas réussi à prélever des échantillons de glace étincelante sur laquelle elle avait pourtant atterri. Le retour sur investissement a donc été décevant d'un point de vue scientifique, et il faut espérer que MAVEN s'en tire mieux dans ce domaine. La NASA a mis fin au programme Scout en 2010, MAVEN étant l'ultime mission financée par ce dernier. Le coût de la mission est estimé à 671 millions de dollars, lancement inclus, pour la totalité du cycle de vie prévu.

Objectifs

L'objectif de la sonde MAVEN est d'étudier les climats passés de Mars et de déterminer le rôle qu'a joué la perte de l'atmosphère martienne dans l'évolution des conditions d'habitabilité de la planète. Les planétologues estiment que l'atmosphère martienne, mise à nu par l'absence d'un bouclier magnétique protecteur, s'est évanouie massivement dans l'espace, passée à la toile émeri par les particules énergétiques émises par notre soleil, et ce très tôt dans l'histoire de Mars. Contrairement à Mars, notre planète possède un champ magnétique global, généré par des mouvements de convection à l'intérieur du noyau métallique. La planète rouge a elle aussi possédé dans sa glorieuse jeunesse un champ similaire, mais le refroidissement du globe martien a abouti à un arrêt des mouvements de convection, d'abord dans le manteau, puis au niveau du noyau, entraînant alors la disparition du champ magnétique.

Ainsi, Mars a perdu de manière définitive une grande partie de son eau et de son dioxyde de carbone, composant majoritaire de l'atmosphère, et qui avait l'avantage d'être un gaz à effet de serre. Lentement mais inéluctablement, elle s'est transformée en un astre froid et désertique. Une planète au destin brisée, qui aurait pu être une seconde terre, mais qui est devenue un désert hostile et glacé, stérile et décharné. Cependant, toutes les réserves d'eau que la planète avait amassée lors de sa formation n'ont pas pu disparaître complètement dans l'espace. L'eau a ainsi pu trouver refuge dans le sous-sol, principalement sous forme de glace, et il en est peut-être de même pour le dioxyde de carbone, qui a pu se solidifier sous forme de glace sèche, ou dans des roches telles que les carbonates, qui pour l'instant n'ont été détecté qu'en petites quantités. Toute la question est de quantifier véritablement ce qui s'est perdu dans l'espace, et ce qui a résisté en se cachant sous la surface.

Grâce à une charge utile conséquente composée de huit instruments scientifiques, MAVEN va tenter d'identifier les mécanismes d'échappement qui ont conduit à la perte de l'atmosphère martienne, et la manière dont ils ont opéré pour parvenir à la débâcle actuelle. Pour cela, pendant une année terrestre au moins, la sonde va cibler l'interface entre l'atmosphère de Mars et l'espace interplanétaire, mesurer l'énergie solaire que reçoit l'atmosphère (des modèles prendront compte des variations d'activité de notre soleil pour estimer les valeurs passées, c'est à dire l'importance du flux que recevait Mars il y a des milliards d'années), étudier très précisément la composition atmosphérique, et suivre la disparition des molécules dans l'espace, un phénomène qui a toujours lieu aujourd'hui, certes de manière moins soutenue (les dégâts étant déjà faits depuis longtemps).

Les principaux mécanismes d'échappement responsables de la perte de l'atmosphère d'un corps planétaire dans l'espace sont au nombre de quatre. Ils se caractérisent par des phénomènes physiques ou chimiques distincts, ainsi que par le fait qu'ils n'agissent que sur certains éléments de l'atmosphère (par exemple particules chargées électriquement, ions, ou au contraire particules neutres, sans charge électrique). La contribution relative de tous ces mécanismes à l'échappement atmosphérique passé et présent reste à déterminer.

Parmi les phénomènes capables de faire partir les composants de l'atmosphère martienne dans l'espace, on distingue :

  • L'énergie cinétique (échappement de Jeans) : au niveau des couches les plus hautes de l'atmosphère martienne, les chocs ayant lieu entre les atomes et molécules peuvent être suffisamment violents pour que certaines particules quittent le champ de gravité martien. L'hydrogène, constituant majeur de la molécule d'eau et atome très léger, est particulièrement sensible à ce mécanisme.
  • L'échappement photochimique : sous l'influence du rayonnement ultraviolet, des atomes ou molécules peuvent recevoir une énergie permettant leur éjection dans l'espace. Le rayonnement UV peut effectivement arracher des électrons à des atomes ou molécules, en produisant des ions. Lorsque ces derniers se recombinent à des électrons, l'énergie dégagée en retour peut leur permettre d'acquérir de la vitesse, et les conduire hors de l'atmosphère martienne, dans le vide spatial. L'échappement photochimique est un processus très actif, et les ions auxquels il donne naissance peuvent également être entraînés hors de l'atmosphère martienne par d'autres mécanismes, comme celui ci-dessous.
  • Le transport par le vent solaire : le vent solaire n'est pas uniquement composé d'électrons et d'ions. Ce flux de plasma transporte aussi avec lui des champs magnétiques qui peuvent servir de tremplin à des composants de l'atmosphère martienne, qui sont alors attirés et dirigés le long de ses lignes de force. Le long des lignes du champ magnétiques, les particules se déplacent en effectuant des mouvements hélicoïdaux (en tire-bouchon). L'accélération induite peut atteindre des valeurs très importantes, des centaines de mètres par seconde, situées bien au-delà de la vitesse d'échappement permettant à une particule de quitter le champ de gravité de Mars pour se retrouver dans l'espace.
  • Le criblage (ou sputtering en anglais) : ce mécanisme d'échappement, très efficace, est lié au précédent. Certaines particules, accélérées par le vent solaire, adoptent des trajectoires qui font que, plutôt que de s'échapper dans l'espace, elles en viennent à se fracasser contre l'atmosphère à très grande vitesse, entraînant alors le départ d'autres éléments, certains plus lourds qu'elles, par transfert d'énergie. La situation ressemble un peu à celle d'une table de billard, quand, lors d'un coup particulier, la boule blanche rate un trou, frappe une bande, puis rentre en collision avec d'autres boules de couleur, qui vont alors finir leur course dans les poches !

MAVEN va également s'intéresser aux effets des champs magnétiques rémanents découverts par la sonde Mars Global Surveyor sur l'atmosphère martienne. Ces derniers, localisés au niveau de la croûte martienne, peuvent en effet former des boucles où les ions atmosphériques se retrouvent piégés, ou au contraire peuvent venir se connecter aux lignes de force du champ magnétique du vent solaire pour former des structures appelées "chevrons" le long desquels les ions peuvent s'échapper dans l'espace. Ces chevrons peuvent aussi permettre au vent solaire de pénétrer en profondeur dans l'atmosphère de Mars pour former des aurores boréales similaires à celles que l'on peut rencontrer sur notre planète au niveau des régions polaires. Sur Terre, les aurores se produisent lorsque le vent solaire s'engouffre dans les cornets polaires et frappe la haute atmosphère, qui s'ionise puis donne naissance, en se désexcitant, à de magnifiques voiles, draperies et rideaux colorés (bleu et rouge pour l'azote, vert et rouge pour l'oxygène).

La mission

En développement depuis 2003, la sonde MAVEN a été lancée avec succès le 18 novembre 2013 depuis le centre spatial de Cap Canaveral par une fusée Atlas V-401, et ce dès l'ouverture de la fenêtre de tir. Après environ 250 secondes de fonctionnement, le moteur du premier étage s'est arrêté. A T+4:08 minutes, le premier étage a été éjecté, tandis que l'étage supérieur Centaur était mis à feu une première fois, pour une durée de 9,5 minutes, de manière à placer la sonde sur une orbite de parking. La coiffe protégeant la sonde est larguée à T + 4,5 minutes.

Après 30 minutes de circulation autour de la Terre, un second allumage du moteur Centaur à T + 41:24 minutes, pour une durée de 5,5 minutes, a permis à MAVEN de quitter l'influence gravitationnelle de notre planète, et d'être injectée sur une orbite héliocentrique de transfert avec Mars. L'orbite suivie est une orbite de Hohmann de type II, la sonde devant suivre un arc de plus de 180° autour du soleil pour pouvoir rejoindre Mars. L'étage Centaur, devenu inutile, est alors largué à T +53 minutes. Peu après, à T + 58 minutes, MAVEN a déployé ses panneaux solaires, pour les orienter vers le soleil. Les communications ont ensuite été établies avec la Terre par l'intermédiaire de l'antenne à faible gain.

Le trajet vers Mars a duré 10 longs mois, rythmés seulement par des manœuvres de correction de trajectoire (TCM), ainsi que par certaines vérifications indispensables. Seules deux manœuvres de correction de trajectoire, exécutées en décembre 2013 et février 2014 ont été nécessaires. Les instruments ont été allumés, testés, puis éteints, à l'exception de ceux du package Particles & Fields, certains appareils devant prendre des mesures durant la phase de croisière. A ce stade, aucun des mats télescopiques n'est encore déployé.

La phase critique d'insertion en orbite martienne aura lieu le 21 septembre 2014. Pendant 33 minutes, les six moteurs d'insertion orbital vont brûler des ergols pour freiner la sonde et permettre sa capture par le champ de gravité martien. A l'issue de cette étape critique, il faut espérer que MAVEN se retrouve sur une orbite d'insertion inclinée à 75°, avec un périapse (point le plus proche de la planète) à 380 km d'altitude, un apoapse à 44600 kilomètres, et une période de 35 heures (temps mis par la sonde pour effectuer une boucle complète).

Une fois la sonde tranquillement installée sur une orbite stable, la NASA va pouvoir procéder à l'étape suivante, qui consiste à déployer les mâts télescopiques, qui sont au nombre de quatre, deux pour l'instrument LPW, un pour l'instrument SWEA, le dernier supportant la plateforme instrumentale rotative. Tous les instruments seront aussi vérifiés un par un. Grâce à cinq manœuvres propulsives, MAVEN mettra un peu plus d'un mois pour rejoindre son orbite définitive de travail, une ellipse avec un périapse relativement proche de la surface, à seulement 150 km d'altitude, et un apoapse à 6300 km (point le plus éloigné de Mars). La sonde effectuera une boucle complète en 4,5 heures.

L'orbite finale étant atteinte, la campagne scientifique peut débuter. D'une durée d'une année terrestre, elle permettra à la sonde de passer à l'aplomb de la plus grande partie des latitudes martiennes, et d'explorer de nombreuses situations ou le vent solaire interagit avec la haute l'atmosphère. Durant cette phase de la mission, les panneaux solaires seront continuellement orientés vers le soleil, tandis que la plateforme instrumentale rotative adaptera sa position de manière optimale. Ainsi, lors des passages au périapse, l'instrument NGIMS sera orienté dans une direction donnée, IUVS sera pointé vers la planète, tandis que STATIC sera dirigé perpendiculairement au plan orbital. Il est à noter que la mission de MAVEN débutera peu après un maximum du cycle solaire. Notre étoile connaît effectivement un cycle d'une durée de 11 années, pendant lequel l'activité varie en connaissant des hauts et des bas.

A cours de la mission, à cinq reprises, MAVEN effectuera un plongeon périlleux dans l'atmosphère martienne, à seulement 125 km de distance de la surface, pour effectuer une coupe complète des hautes couches atmosphériques. A cette altitude, l'atmosphère est 30 fois plus dense qu'au niveau du périapse nominal, situé à 150 km.

Si aucun incident majeur ne survient, à l'issue de la période nominale d'observations scientifiques, il est très probable que la mission soit reconduite pour une année supplémentaire, ce qui permettra alors à MAVEN d'acquérir des données sur les quatre saisons de l'année martienne, deux fois plus longues que l'année terrestre. Après cette seconde année, la sonde pourra continuer sa mission pendant encore six ans. Elle servira alors notamment de relais de communication avec les engins au sol grâce à un émetteur-récepteur Electra. De manière à réduire la consommation d'ergols durant cette extension de mission, le périapse sera remonté à 220 km.

Lorsque les réservoirs de la sonde seront vides, l'orbite suivie par MAVEN subira des dégradations à mesure de ses passages dans la haute atmosphère. Si l'air de Mars est certes très ténu, les frottements freinent néanmoins le satellite, qui finira implacablement par s'abîmer sur la planète. Les mesures de protection planétaire prises lors de l'assemblage et du lancement de la sonde offrent la garantie qu'aucune contamination de la surface martienne par des microorganismes terrestres n'aura lieu lors du crash. Il y a tout lieu de penser que la chaleur dégagée lors de la traversée de l'atmosphère martienne stérilisera les parties de la sonde qui ne le sont pas encore.

Comme toutes les missions martiennes, MAVEN a dû se plier aux règles et contraintes de la protection planétaire. Ainsi, le satellite a été assemblé en salle blanche, et des mesures drastiques ont été prises pour réduire au maximum le nombre de germes sur les différentes surfaces et composants. De la même manière, la trajectoire initiale de lancement a été conçue pour empêcher le crash de l'étage de croisière Centaur sur la planète rouge. D'un point de vue de la protection planétaire, et en tant qu'orbiteur, MAVEN est une mission de catégorie III (le risque de contamination de Mars par des microbes terrestres est jugé minimal).

La sonde

La sonde MAVEN reprend l'architecture de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter, et embarque huit instruments scientifiques. La section ci-dessous décrit les différents sous-systèmes qui composent l'orbiteur. Si vous n'êtes pas familier avec ce sujet, je vous recommande de parcourir le dossier intitulé anatomie d'une sonde martienne, il facilitera un peu la lecture de ce qui suit.

Structure

Basée sur Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), le châssis de MAVEN est composé de panneaux d'aluminium en nid d'abeille enrobés de matériaux composites. De forme cubique, la structure centrale mesure environ 2,3 mètres de côté. Plusieurs mâts de différentes longueurs y sont attachés, et servent à écarter certains instruments, ainsi que la plateforme rotative, des influences néfastes du corps métallique de la sonde.

La plateforme rotative est équipée d'un moteur à deux axes possédant une liberté de mouvement de 175°, de manière à pouvoir du mieux possible positionner les instruments NGIMS, IUVS et STATIC dans la bonne direction, et ce quel que soit l'orientation de la sonde sur son orbite.

A vide, sans les ergols, MAVEN pèse 809 kilogrammes, contre 2454 kg avec le réservoir d'hydrazine rempli. Elle mesure 3,47 mètres de hauteur, 2,3 mètres de largueur, et possède une envergure de 11,4 mètres, une fois ses deux panneaux solaires déployés.

Propulsion

La sonde MAVEN embarque trois types de moteur-fusée. Six moteurs d'insertion orbitale (MR-107N), développant une puissance nominale pouvant varier entre 170 et 296 newtons, serviront à freiner l'engin durant la manœuvre d'insertion orbitale, de manière à provoquer sa capture par le champ de gravité de la planète Mars. Ces mêmes moteurs ont également été mis en œuvre pour la première manœuvre de correction de trajectoire.

Six autres moteurs, moins puissant que les précédents (MR-106E, poussée de 22 newtons), ont été utilisés durant la phase de croisière entre la Terre et Mars pour effectuer les manœuvres de correction de trajectoire. Enfin, huit petits moteurs (MR-103D) d'une poussée de 1 newton permettent à la sonde de modifier son attitude dans l'espace. Tous les moteurs sans exception consomment de l'hydrazine, stockée dans un réservoir situé dans la structure centrale et possédant une capacité d'emport de 1640 kg. Un réservoir d'hélium permet de pressuriser le réservoir d'hydrazine.

Navigation

Pour s'orienter dans l'espace, l'orbiteur MAVEN s'appuie sur une centrale de navigation interstitielle dotée de gyroscopes lasers et d'accéléromètres. Deux senseurs stellaires permettent à la sonde de se situer dans le ciel en repérant les étoiles, et deux capteurs solaires servent à localiser le soleil, une information cruciale pour continuer à orienter correctement les panneaux solaires au cas où l'ordinateur de bord entre en mode sans échec (safe mode). Enfin, la sonde possède quatre roues à réaction qui servent aux modifications d'orientation. Ces roues permettent de changer l'attitude de la sonde sans recourir aux micro-propulseurs. Lorsqu'elles tournent à leur vitesse maximale, elles doivent cependant être désaturées par l'allumage des moteurs MR-103D, avant de pouvoir être à nouveau utilisées.

.Alimentation en énergie

MAVEN dispose de deux panneaux solaires situés de part et d'autre de la structure centrale, et composé chacun de deux sections, pour un total de 2000 cellules actives. Leur surface combinée est de 12 m2, et ils peuvent fournir une puissance variant entre 1135 watts et 1700 watts. Ils alimentent deux batteries au lithium de 55 ampères/heure. Même orientés à 60° du soleil, les panneaux peuvent continuer à fournir de l'énergie.

Détail intéressant, les panneaux solaires sont arqués avec un angle de 20°, ce qui les fait ressembler à des ailes de mouette. Cette forme particulière va leur permettre de mieux résister aux frottements avec l'atmosphère. Les forces qui s'exerceraient sur des panneaux solaires plats pourraient effectivement altérer la trajectoire de la sonde. La courbure des panneaux va décaler le point de pression maximal à l'écart du centre de gravité de la sonde, ce qui aura pour effet de stabiliser sa position. Le principe utilisé ici est similaire à celui mis en œuvre sur un simple volant de badminton : les plumes de la jupe attachée à la tête du volant stabilisent ce dernier lorsqu'il est dans les airs.

Ordinateur de bord

L'intelligence de bord de MAVEN repose sur une carte RAD-750 embarquant un CPU PowerPC similaire à ceux qui équipaient certains ordinateurs Apple, et fortement durcie. Cette dernière peut résister à un million de fois la dose de radiations considérée comme létale pour un être humain. Sa température de fonctionnement est de -55°C à + 125°C. La sonde dispose de 32 giga-octets de mémoire pour le stockage des données (solid state recorder, SSR).

Télécommunication

MAVEN communiquera avec la Terre principalement à l'aide de son antenne grand gain, une parabole de 2 mètres de diamètre transmettant en bande X. Tous les trois jours et demi, les observations scientifiques seront interrompues pour une durée de cinq heures, le temps pour la sonde de transmettre les données recueillies, de recevoir des instructions de la Terre et de procéder aux mises à jour éventuelles des logiciels contrôlant ses systèmes de bord. Dans les périodes ou l'antenne grand gain n'est pas orientée vers la Terre, les communications restent possibles grâce à deux antennes à faible gain montés sur la structure centrale. Ces antennes ont par exemple servi lors du lancement, ou durant les manœuvres de correction de trajectoire.

Contrôle thermique

Le contrôle thermique est assuré par l'utilisation de matériaux isolants ou conducteurs de chaleur, de radiateurs et d'éléments chauffants. Il permet de maintenir les instruments de l'orbiteur à une température compatible avec leur fonctionnement (de -15°C à 40°C).

Charge utile

L'orbiteur MAVEN embarque huit instruments scientifiques qui sont répartis dans trois packages distincts, pour un poids total de 65 kg.

Particules and Fields

Le premier, le plus important, appelé Particules and Fields package, comprend six instruments, tous dédiés à l'étude du soleil et du vent solaire :

  • Solar Energetic Particle (SEP) : D'un poids de 0,74 kg, cet instrument est composé de deux appareils montés à 90° l'un de l'autre et fixés sur deux côtés opposés du corps de la sonde. Il assure la détection, à la fois en énergie et en direction, des ions hautement énergétique, hydrogène et hélium, émis durant des phases d'activités particulières du soleil, comme les éruptions solaires ou les éjections de masse coronale. L'objectif est de déterminer combien d'énergie la haute atmosphère de Mars reçoit dans ces moments-là, comment cette énergie est absorbée, et quelle est son rôle dans l'augmentation de température, l'ionisation et le criblage. L'instrument effectuera 10 mesures par seconde, et fonctionnera de manière continue à une température de 0°C (il est thermiquement isolé de la sonde).
  • Solar Wind Ion Analyzer (SWIA) : Le rôle de cet instrument est de mesurer la densité, la température et la vitesse des ions du vent solaire, à la fois dans l'espace interplanétaire, avant leur arrivée sur Mars, et au niveau de l'atmosphère martienne. Le jeu de données obtenu permettra alors aux planétologues de définir l'intensité avec laquelle les particules neutres de l'atmosphère martienne sont ionisées par le vent solaire, ainsi que le niveau de leur accélération dans les champs électriques et magnétiques entourant Mars, et qui proviennent non seulement de la planète, mais aussi et surtout du vent solaire lui-même. Riveté sur le corps de la sonde, SWIA est orienté vers le soleil. Il fonctionnera de manière continue, sauf lors des plongées profondes dans l'atmosphère martienne.
  • Solar Wind Electron Analyser (SWEA) : SWEA va mesurer l'énergie et la direction des électrons qui libèrent une énergie moyenne, suffisante pour produire une ionisation des particules atmosphériques, autorisant alors leur entraînement potentiel vers l'espace par des champs magnétiques et électriques. L'instrument peut distinguer les électrons du vent solaire de ceux présents dans l'ionosphère par leur différentiel en énergie. Au cours de sa mission, la sonde MAVEN balayera la totalité du globe martien, et l'instrument SWEA sera ainsi en position de dresser un panorama complet du vent solaire, à la fois au vent et sous le vent, et d'étudier l'ionosphère aussi bien au niveau de la face éclairée que de la face plongée dans la nuit. L'instrument est monté au sommet d'un mât télescopique de 1,5 mètres de longueur qui permet d'avoir une vue dégagée du ciel, et d'éviter les interférences dues au corps de la sonde. Il effectue une mesure toutes les deux secondes. C'est le seul instrument avec une participation française (contribution de l'IRAP, Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie basé à Toulouse) embarqué sur cette mission américaine.
  • SupraThermal and Thermal Ion Composition (STATIC) : Cet instrument va mesurer la composition, la densité et la vitesse des ions fortement énergétique de la haute atmosphère martienne, en particulier l'hydrogène, l'hélium, l'oxygène et le dioxyde de carbone. Une fois formés, ces ions peuvent avoir une vitesse suffisante soit pour s'échapper définitivement dans l'espace, soit pour revenir frapper violemment l'atmosphère en chutant vers la planète, causant alors l'éjection d'autres particules par le phénomène de criblage. Les données, obtenues à des altitudes différentes, permettront de déterminer combien d'ions sont chassés par le vent solaire, et comment les variations de l'activité solaire se manifestent en termes de pertes atmosphériques. Pesant 3,2 kg, il est monté sur la plateforme instrumentale rotative fixée à l'extrémité d'un mât télescopique.
  • Langmuir Probe and Waves (LPW) : L'instrument LPW est doté de deux senseurs : deux sondes de Langmuir, fixées sur des mâts de sept mètres de longueur qui assurent un certain isolement avec la sonde elle-même, et un capteur UV, positionné sur le corps de la sonde. Le rôle de ce dernier est de mesurer le taux de rayons ultraviolets solaires très énergétiques (EUV), capables de produire des réactions photochimiques. L'objectif de LPW est de déterminer les limites et la densité de l'ionosphère martienne, et de mesurer la température des électrons atmosphériques (c'est à dire leur énergie). Les données collectées permettront de quantifier le niveau de participation des réactions photo-chimiques à l'échappement de l'atmosphère dans l'espace. LPW doit également fonctionner de concert avec le magnétomètre MAG, pour étudier l'importance avec laquelle les ondes électromagnétiques peuvent pénétrer l'ionosphère.
  • Magnétomètre (MAG) : Le magnétomètre de MAVEN est fixé à l'extrémité des panneaux solaires, de façon à être le plus éloigné possible du corps de la sonde. Les deux capteurs sont extrêmement sensibles, puisqu'ils peuvent détecter un champ magnétique un million de fois plus faible que le champ magnétique terrestre. Un grand nombre de précautions ont été prises pour empêcher au maximum les interférences dues à la sonde. Le rôle du magnétomètre est de mesurer le champ magnétique du vent solaire, de l'ionosphère martienne, ou de celui, résiduel et localisé, de la croûte martienne. Ses mesures seront couplées à celles provenant d'autres instruments, comme les instruments LPW et SWEA.

IUVS

Le second package, appelé Remote sensing, orienté donc télédétection, est appelé à étudier de manière globale la haute atmosphère et l'ionosphère martienne. Il comporte un spectromètre ultraviolet, IUVS (Imaging Ultraviolet Spectrograph). Cet instrument, monté lui aussi sur la plateforme rotative, permettra de cartographier chimiquement la haute atmosphère martienne, et de mesurer le rythme auquel les atomes d'hydrogène s'échappent dans l'espace. Les mesures obtenues, globales, couvrant de larges zones, seront complémentaires de celles effectuées par le spectromètre de masse NGIMS, qui lui effectuera des mesures très précises et localisées à des endroits bien précis de chaque orbite. L'instrument IUVS possède deux ouvertures, l'une étant orientée vers le limbe de la planète (l'horizon), tandis que l'autre pointera directement vers Mars.

NGIMS

Le troisième package n'inclut lui aussi qu'un seul instrument, un spectromètre de masse, NGIMS (Neutral Gas and Ion Mass Spectrometer), dont les scientifiques attendent qu'il mesure avec efficience la composition des gaz neutres (hélium, azote, oxygène, argon, monoxyde et dioxyde de carbone), et des ions froids de la haute atmosphère martienne (que les spécialistes de l'aéronomie appellent thermiques, allez savoir pourquoi ...). Il pourra également effectuer des mesures isotopiques pour le carbone, l'azote, l'oxygène et l'argon. L'instrument est monté sur la plateforme rotative, pointé dans la direction avant, et ne fonctionnera que douze minutes avant et après le passage à chaque périapse. Il est similaire dans sa conception au spectromètre de masse de l'instrument SAM qui équipe le rover Curiosity. Son principe est le suivant : les gaz entrant dans l'instrument sont ionisés par un faisceau d'électrons, puis triés par un ensemble de quatre électrodes (quadripôle), des détecteurs permettant alors l'identification des ions en mesurant leur masse. Des réservoirs de différents gaz (argon, azote, dioxyde de carbone, krypton et xénon) sont adjoints à l'instrument pour permettre sa calibration.

L'orbiteur n'embarque aucune caméra visible, étant donné que celle-ci aurait été redondante avec la caméra HiRISE de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter, qui a déjà renvoyée une quantité astronomique d'images à très haute résolution de Mars.

Un disque, portant le nom de 100 000 personnes environ, et contenant également de nombreux dessins d'enfants venant du monde entier, ainsi que des poèmes haïku, a été placé à bord de l'engin, collé à l'extrémité d'un panneau solaire. Même si l'intention est louable et symbolique, on pourra regretter la durée de vie de cette capsule temporelle. Le disque durera effectivement bien loin longtemps que ceux embarqués sur les atterrisseurs et les rovers, car à termes, MAVEN est destiné à se crasher à la surface de Mars.

Electra

Enfin, en plus de la charge instrumentale proprement dite, la sonde MAVEN embarque un émetteur récepteur ultra haute fréquence (UHF) équipé d'une antenne hélicoïdale, Electra. D'un poids de 6,5 kg, celui-ci permettra à MAVEN de servir de relais de communication de secours, non seulement pour les rovers Curiosity et Opportunity qui travaillent actuellement au sol, mais aussi pour les futurs engins d'exploration, comme l'atterrisseur géophysique Insight (2016), le rover américain prévu pour 2020, ainsi que l'astromobile de la mission ExoMars.

La NASA cherche effectivement à multiplier au maximum le nombre de satellites capable de servir de relais radio en orbite martienne, histoire de constituer un véritable  réseau de télécommunication spatial à moindre coût, sans avoir à déployer d'orbiteurs spécialisés. A l'heure actuelle, les sondes Mars Odyssey et Mars Reconnaissance Orbiter servent à retransmettre les données entre les deux robots et la Terre, avec un support occasionnel de Mars Express.

Pour en savoir plus :

Go !Comprendre les orbites
Go !Anatomie d'une sonde martienne.
Go !L'atmosphère martienne.
Go !Ça sent le gaz (*) : du méthane sur Mars.
Go !Liste de liens concernant MAVEN (page de bibliographie).

Décollage de l'orbiteur MAVEN le 18 novembre 2013 à 19:28 heure française, depuis le complexe de tir 41 du centre spatial de Cap Canaveral en Floride. Le lanceur, une fusée Atlas V-401, mesure 58 mètres de hauteur. A cause d'une grève gouvernementale, le lancement de MAVEN a failli être reporté de deux années. La sonde devant jouer un rôle crucial en tant que relais de transmission entre les engins au sol et la Terre, la NASA est parvenue à débloquer des crédits et une situation très tendue, permettant ainsi le départ de MAVEN en temps et en heure (Crédit photo : NASA/United Launch Alliance).

Configuration du lanceur Atlas V-401 utilisé pour le lancement de la sonde MAVEN : coiffe de 4 mètres de diamètre, aucun propulseurs d'appoint latéraux et un seul moteur pour l'étage supérieur Centaur (Crédit photo : NASA).

Basée sur Mars Reconnaissance Orbiter, la sonde MAVEN se compose d'une structure centrale cuboïde, flanquée de deux panneaux solaires en aile de mouette, à l'extrémité desquels sont fixés les capteurs du magnétomètre. Trois mâts télescopiques de différentes longueurs (un mât de 1,5 mètres et 2 mâts de 7 mètres) supportent respectivement un analyseur de vent solaire et deux sondes de Langmuir (en bas). D'autres instruments sont montés sur une plateforme rotative, elle aussi érigée à l'extrémité d'un mât (en haut). L'antenne grand gain de 2 mètres de diamètre est bien visible (Crédit photo : NASA).

L'orbiteur MAVEN va entièrement se consacrer à l'aéronomie, c'est à dire à l'étude des propriétés physiques et chimiques de la haute atmosphère martienne (par opposition à l'aérologie, qui s'occupe des couches basses). Aucune caméra n'est embarquée (Crédit photo : NASA).

MAVEN est le dixième orbiteur lancé par la NASA vers Mars, une planète qui semble obséder l'agence spatiale américaine, au détriment des autres astres de notre système solaire. L'objectif de la mission est de déterminer la structure et la composition de la haute atmosphère martienne, de mesurer le taux d'échappement des gaz dans l'espace et les mécanismes impliqués, d'étudier les champs magnétiques, et enfin d'acquérir suffisamment de données pour pouvoir élargir les résultats obtenus à l'ensemble de l'histoire de la planète Mars, depuis sa formation il y a 4,5 milliards d'années jusqu'à aujourd'hui (Crédit photo : NASA).

Image montrant l'échappement ionique actuelle tel que mesuré par la sonde européenne Mars Express. Les planétologues estiment que Mars a perdu la plus grande partie de son atmosphère au tout début de son histoire, entre 4,5 et 4 milliard d'années (Crédit photo : NASA).

MAVEN va étudier l'interaction entre le vent solaire, flux de particules évoluant à grande vitesse (électrons, noyau d'hydrogène et d'hélium) avec la haute atmosphère martienne. La sonde sera opérationnelle juste après un pic d'activité maximal de notre étoile, le Soleil.

 

Labrot © 1997-2017. Dernière mise à jour : 9 septembre 2014. Des commentaires, corrections ou remarques ? N'hésitez pas, écrivez moi!

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