Programme d'exploration de Mars

Fin 2000, après des mois d'études intensives, la NASA a levé le voile sur un nouveau programme d'exploration de Mars. La perte coup sur coup de Mars Climate Orbiter et de Mars Polar Lander fin 1999 avait sérieusement ébranlé l'agence spatiale américaine, qui s'était soudain mise à douter de sa stratégie d'exploration. L'efficacité de la fameuse politique du "better, faster, cheaper" (mieux, plus vite et moins cher) était remise en question, tandis que des rapports d'enquête accablants mettaient en lumière de profonds dysfonctionnements à de nombreux niveaux : équipes surchargées de travail, budget trop serré ou carrément insuffisant, problème de communication, grave lacunes dans le management.

Devant cette situation déplorable, la NASA fut forcée de redéfinir en profondeur son programme d'exploration martienne. Celui-ci, baptisé Mars Surveyor, consistait à envoyer à chaque opportunité de lancement (c'est à dire tous les deux ans environ) une sonde orbitale et un atterrisseur vers Mars. Mars Surveyor débute en fanfare en 1996, avec le lancement de l'atterrisseur Mars Pathfinder et la sonde Mars Global Surveyor. Pour la NASA, le succès éclatant de ces deux missions est une brillante confirmation de son savoir faire et de ses choix. L'agence spatiale américaine lance donc une deuxième salve en 1998, la sonde Mars Climate Orbiter et l'atterrisseur Mars Polar Lander. Après cette mission, dans laquelle la NASA avait placé une confiance aveugle et qui s'est terminée en catastrophe, une autre paire d'engins devait prendre son envol en 2001 (un orbiteur, Mars Odyssey, et un atterrisseur). Le feu d'artifice final devait avoir lieu en 2003 et 2005, avec une mission de retour d'échantillons à forte participation française. La NASA avait enfin dans ses cartons un projet de petites sondes peu coûteuses (les micromissions), par le biais desquelles elle devait entre autre constituer un réseau de télécommunications autour de Mars.

Tout ce beau programme est parti à la poubelle, la NASA ayant fait table rase pour tout ce qui concernait Mars. Le 26 octobre 2000, dans ses quartiers généraux situés à Washington, l'agence spatiale américaine a présenté un nouveau scénario, constamment modifié et amélioré. La planète rouge est toujours l'objectif n°1 dans l'exploration du système solaire, les missions s'enchaîneront toujours les unes après les autres à chaque fenêtre de lancement, et ce pendant 20 ans, mais l'approche est désormais plus ouverte et plus prudente.

Objectifs scientifiques

La caractéristique principale de la nouvelle architecture tient dans sa flexibilité. Le programme sera assez souple pour changer en réponse à ce que nous apprendrons à chaque nouvelle mission. Les scientifiques veulent par exemple être capables de réagir aux découvertes scientifiques les plus récentes. En juillet 2000, la NASA a rendu publique des images stupéfiantes acquises par Mars Global Surveyor, qui montrent des traces d'un possible écoulement d'eau liquide à la surface de Mars. Même si cette hypothèse demande confirmation, elle laisse miroiter des possibilités fascinantes pour la présence d'une éventuelle vie martienne et les scientifiques réfléchissent déjà aux moyens d'étudier de plus près ces mystérieuses rigoles. Cet exemple, comme celui de la découverte de roches sédimentaires en 2004 par le rover Opportunity, est typique des découvertes qui peuvent bouleverser un programme, et les scientifiques aimeraient énormément pouvoir intégrer dans les missions en partance les découvertes réalisées par les sondes déjà sur place.

La flexibilité du programme martien reflète également la difficulté qu'éprouvent aujourd'hui les exobiologistes à chercher des traces de vie fossiles dans des roches, qu'elles soient extraterrestres ou terrestres. Effectivement, en dépit de la grande sophistication des instruments présents dans nos laboratoires, l'identification d'un microfossile est une tâche très délicate, et de nombreuses découvertes effectuées dans des roches terrestres vieilles d'au moins 3 milliards d'années ont récemment été remises en question. L'ambiguïté des caractéristiques morphologiques et chimiques des plus vieux fossiles du monde, ainsi que les controverses qui en découlent prouvent combien il est difficile de décrypter les enregistrements fossilifères de notre planète, et combien il est arrogant de vouloir prétendre trouver des traces de vie anciennes sur Mars, alors que nous en sommes incapables sur notre propre planète (la controverse entourant la météorite martienne ALH84001 en est une excellente illustration).

Même en admettant que la planète rouge offre effectivement un potentiel bien plus grand que la Terre du point de vue de la recherche de microfossiles, à cause d'une érosion moindre et d'une absence de tectonique de plaques, la découverte d'un microfossile sur Mars demanderait une chance extraordinaire. Et même si les scientifiques ne découvrent aucune preuve de l'existence d'une vie fossile sur Mars après une décennie de recherche intensive et l'envoi de nombreuses sondes, nous n'aurons même pas la certitude que la planète est effectivement stérile. La preuve que nous cherchons pourrait effectivement exister, tout en demeurant introuvable, parce que située dans une région improbable, ou hors de portée de nos robots.

Enfin, même si nous décelons des traces de vie sur Mars, il y a de fortes chances que les exobiologistes se trouvent dans l'incapacité de savoir si cette vie est d'origine martienne, ou s'il s'agit au contraire de descendants d'organismes terrestres transportés sur Mars par des météorites éjectés de notre planète ! A moins bien sûr qu'on ne puisse prouver que la biochimie des microorganismes martiens est si radicalement différente de celle des cellules terrestres, que seule une seconde genèse martienne peut expliquer leur présence ... Si le métabolisme des formes de vie martiennes n'est pas suffisamment extraterrestre, alors les exobiologistes feront effectivement face à un redoutable dilemme : celui de ne pas pouvoir statuer sur la véritable origine de ces traces de vie. Et contrairement à ce que l'on entend encore trop souvent, si nous ne parvenons pas à prouver que la vie est apparue indépendamment sur deux astres, nous ne saurons pas si son apparition résulte d'un hasard invraisemblable (apparition sur Terre, puis transport sur Mars), ou si au contraire elle peut émerger du néant dès que les conditions sont réunies.

Voilà pourquoi l'objectif premier du programme d'exploration martien ne sera sans doute pas à terme la recherche de traces de vie passée ou présente, mais la détermination de l'habitabilité de Mars, c'est à dire l'aptitude de la planète à avoir présenté, dans un lointain passé, des conditions propices à l'apparition et au développement de la vie. La réponse à la question de l'habitabilité de la planète Mars, même si cette dernière peut paraître moins excitante ou passionnante que la recherche directe de formes de vie, sera sans doute plus facile à prouver. La NASA veut à tout prix éviter de reproduire l'erreur commise avec les sondes Viking. Après l'atterrissage des deux sondes en 1976, et l'annonce d'un résultat négatif quant à la détection de microbes dans le sol martien, le programme martien fut brutalement stoppé. Les scientifiques ont du attendre 20 ans avant de pouvoir à nouveau lancer une sonde vers la planète rouge. Il ne fait aucun doute que si une telle situation se reproduisait, si une mission sensée trouver des traces de vie sur Mars revenait bredouille, le programme martien subirait à nouveau un arrêt brutal, et la planète serait délaissée pour plusieurs décennies. On voit donc que la définition même des objectifs du programme martien doit être faite avec beaucoup de soins.

Les quatre approches scientifiques du programme martien

D'un point de vue scientifique, la NASA a défini quatre approches possibles pour la période 2010 - 2020, qui balayent tous les cas de figure possibles. La première, qui semble désormais obsolète suite aux découvertes effectuées par les rovers Spirit et Opportunity, ainsi que par la sonde Mars Express, était basée sur l'hypothèse que Mars n'ait jamais connu, y compris dans sa jeunesse, des conditions permettant à l'eau liquide d'exister sur des périodes de temps significatives.

La seconde approche a pour objectif la recherche de formes de vie fossiles dans des roches sédimentaires martiennes. Une mission de retour d'échantillons serait lancée en 2013, et serait suivie en 2018 par l'envoi d'un rover ultra puissant capable de détecter des traces de vie fossiles dans les roches martiennes. Baptisé Astrobiology Field Lab, ce dernier serait une version améliorée du rover MSL. L'envoi d'une sonde capable de forer la croûte martienne sur plusieurs dizaines de mètres (mission Deep Drilling) est également au programme.

La troisième approche cible quand à elle des sources hydrothermales, que ces dernières soient encore actives ou non. Ces sources d'eau chaude, très propices à l'apparition et au développement de formes de vie, ainsi qu'à leur fossilisation, seraient détectés par la présence de minéraux spécifiques. Si cette approche est choisie, aucune mission de retour d'échantillons n'aura lieu durant la prochaine décennie, et la fenêtre de tir de 2013 sera mise à profit pour envoyer un Astrobiology Field Lab. En 2018, une sonde Deep Drilling sera envoyée sur place pour réaliser des forages.

Enfin, la quatrième approche est basée sur l'hypothèse de la découverte dans les années à venir de microorganismes vivants sur Mars. Une mission de retour d'échantillons, incluant un rover collecteur d'échantillons, sera alors planifiée pour 2016, et une sonde Deep Drilling sera envoyée en 2018. Les fenêtres de tir intermédiaires seront mises à profit pour envoyer des petites sondes Scout.

La flexibilité devra également être valable au niveau technique. Les ingénieurs veulent ainsi être capables de tirer des leçons d'un éventuel échec technique qui frapperait l'une ou l'autre des missions. Cette précaution explique la programmation de la nouvelle architecture. Contrairement à l'ancien programme Mars Surveyor, la NASA ne compte plus lancer une paire orbiteur/atterrisseur tous les 26 mois, mais l'un ou l'autre seulement de ces deux engins. Le fait d'intercaler un atterrisseur entre deux orbiteurs (et vice versa) offre une marge suffisante pour pouvoir intervenir. Si la période entre chaque mission est trop courte, les techniciens et ingénieurs risquent effectivement de ne pas pouvoir intégrer les connaissances acquises, et d'être incapables d'apporter les modifications qui s'imposent aux nouvelles sondes. Enfin, la NASA a annoncé que le programme devra aussi être capable de s'accommoder des sautes d'humeur budgétaires du Congrès.

De 2001 à 2007

La mission prévue pour la fenêtre de tir en 2001 avait été remaniée peu de temps après la perte de Mars Polar Lander. L'orbiteur (Mars Odyssey) initialement prévu a bien été lancé (sa ressemblance avec Mars Climate Orbiter n'était pas un problème, car cette dernière a été perdue à cause d'une erreur de navigation, et non à cause d'un dysfonctionnement technique). L'atterrisseur en sera par contre pour ses frais, puisqu'il sera cloué au sol. Sa plateforme sera malgré tout réutilisée quelques années plus tard dans le cadre de la première mission Scout, Phoenix.

En 2003, l'atterrisseur impliqué dans la mission de retour d'échantillons est lui aussi annulé, avant d'être remplacé par un couple de rovers, version améliorée du petit robot Sojourner de la mission Pathfinder. Ces derniers, Spirit et Opportunity, ont connu un succès éclatant. Ils seront suivis en août 2005 par un super orbiteur doté d'une caméra extrêmement puissante (Mars Reconnaissance Orbiter), puis en 2007 par la première sonde "Scout", Phoenix.

Les sondes "Scout"

L'opportunité de 2007 a été choisie par la NASA pour lancer une nouvelle classe de sondes baptisées "Scout". Petites et très diverses, les Scout ressemblent à des micromissions, mais ce ne sont pas des micromissions.

Lancées en temps que passager secondaire sur Ariane 5, les micromissions devaient effectuer des survols rapprochés de la Lune et de la Terre avant d'acquérir la vitesse suffisante pour pouvoir partir vers Mars. Ce concept était séduisant et très économique, mais la NASA a aujourd'hui mis de l'eau dans son vin. A l'origine, une micromission coûtait aux alentours de 40 millions de dollars et le coût récurrent (c'est à dire le prix à payer pour des exemplaires supplémentaires) avoisinait les 10 millions de dollars. Avec l'échec de Mars Polar Lander et Mars Climate Orbiter, la NASA a regardé d'un peu plus près ces estimations optimistes et s'est vue contrainte de revenir à des chiffres plus réalistes. Une fois réévalué, le coût total d'une micromission de la classe 240 kg atteint 150 millions, et 120 millions pour le coût récurrent. Ce prix devenu exorbitant comprend le développement de la plate-forme (le bus), le développement des instruments scientifiques (la charge utile) et les opérations une fois la sonde en vol (le lancement n'est même pas compris dans l'addition, puisqu'il est par définition "gratuit" !). On voit donc que les micromissions sont devenues aussi chères que des sondes de type Mars Climate Orbiter, tout en étant bien moins efficaces. La réévaluation des coûts effectuée par la NASA semble bien avoir signé l'arrêt de mort des micromissions, qui ne sont plus jamais évoquées.

Fermons cette parenthèse, et revenons à nos "Scout". A l'instar du bestiaire des micromissions, les missions "Scout" de la NASA pourront être très diverses. On y trouvera aussi bien des atterrisseurs ressemblant à des stations NetLander que des planeurs ou des ballons. Les "Scout" pourront être intégrés au programme Discovery de la NASA (400 millions de dollars chacune) et seront sélectionnés d'après des propositions de la communauté scientifique. En multipliant le nombre de sites d'atterrissage étudiés ou en offrant une reconnaissance à un niveau intermédiaire entre la surface et l'orbite (pour les ballons et les planeurs par exemple), les "Scout" contribueront de façon non négligeable à la connaissance de Mars.

Au mois de décembre 2002, la NASA a annonçé les quatre finalistes pour la première mission Scout : collecte d'un échantillon d'atmosphère martienne et retour sur Terre (SCIM), étude des basses couches de l'atmosphère grâce à un planeur (Ares) et mesures très fines de certains composés émis par des volcans ou d'éventuels organismes vivants (comme le méthane) grâce à un orbiteur muni de spectromètres très sophistiqués (MARVEL). Quant à la quatrième mission, judicieusement baptisée Phoenix, elle ne prévoyait ni plus ni moins que de réutiliser l'atterrisseur de Mars Surveyor 2001 pour aller explorer non pas le pôle sud (l'objectif de Mars Polar Lander), mais le pôle nord. La NASA s'est apparemment montrée très sensible aux économies réalisables sur cette mission (l'atterrisseur étant déjà en grande partie construit), puisque Phoenix a été préféré à ses trois concurrents (le budget alloué est malgré tout de 325 millions de dollars, soit 60 millions de plus que Pathfinder).

Phoenix prendra son envol en 2007, et atterrira en mai 2008 dans une région située entre 65° et 75° de latitude nord, à proximité de la calotte polaire nord. Ses deux principaux objectifs seront d'étudier les composés volatils martiens (en particulier l'eau) présents dans le sol, et de détecter des régions compatibles avec l'existence de formes de vie passé ou présente. L'atterrisseur pourra directement confirmer les résultats de Mars Odyssey, qui a détecté de spectaculaires concentrations de glace dans la partie la plus superficielle du sol des régions polaires. Avec un sol bourré de glace et des paysages d'une beauté à couper le souffle (voir les images collectées par Mars Global Surveyor), les terres arctiques martiennes constituent sans nul doute l'une des places les plus fascinantes et excitantes de Mars. Si Phoenix réussit là ou son prédécesseur a échoué, l'année 2008 risque bel et bien de rivaliser avec 2004 dans l'histoire de l'exploration martienne ...

L'un des deux prochaines sondes Scout, qui devraient être lancées en 2011, pourrait bien être la sonde MARVEL. Depuis la découverte de traces de méthane dans l'atmosphère martienne, ce projet a effectivement toutes ses chances.

Mars Telecommunication Orbiter (MTO)

La NASA avait proposé d'utiliser la fenêtre de tir de 2009 pour envoyer un satellite de télécommunication (Mars Telecommunication Orbiter, MTO), mais cette mission a finalement été brutalement annulée en juillet 2005, victime d'une coupe franche budgétaire.

Lancé en septembre 2009, MTO aurait été placé sur une orbite haute, à 4500 km de la surface martienne (ce n'était donc pas un Marsat aréostationnaire). Depuis cette position avantageuse, la sonde aurait pu couvrir la presque totalité de la planète Mars, alors que les sondes évoluant en orbite basse (comme Mars Odyssey), ne survolent les sites d'atterrissages que deux fois par jour et ce durant quelques brèves minutes. Véritable concentré de technologies, MTO aurait été chargé de relayer pendant 10 ans vers la Terre la grande majorité des données émises par les sondes en action dans le système martien (atterrisseurs, rovers, puis plus tard ballons et avions de reconnaissance).

Construite autour de la plate-forme de Mars Reconnaissance Orbiter, la sonde MTO devait être équipée d'un transmetteur radio fonctionnant dans la bande Ka (testée pour la première fois en 1998 sur la sonde Deep Space 1, la bande Ka sera aussi utilisée par Mars Reconnaissance Orbiter), ce qui lui aurait permis d'atteindre des débits bien supérieurs à ceux des sondes utilisant la bande X (le débit n'ayant jamais cessé de constituer un goulot d'étranglement depuis l'exploration de la planète Mars). Lorsque Mars aurait été au plus proche de la Terre, les données devaient être transmises à la vitesse de 10 à 30 millions de bits par seconde. Dans les conditions défavorables, le débit serait tombé à 1 million de bits par seconde (soit 122 ko/s, un débit similaire à celui d'une liaison internet ADSL 1024). Ce débit est à comparer à celui de la sonde Mars Odyssey, qui a relayé 95 % des données émises par les rovers martiens Spirit et Opportunity (128 000 bits/s, soit 32 ko/s, et 256 000 bits/s, soit 64 ko/s, après l'activation du protocole CCSDS "Proximity 1").

MTO devait également tester pour la première fois un laser de télécommunication, ce qui lui aurait permis de multiplier par un facteur 10 000 le débit de transmission en atteignant la valeur record de 30 millions de bits par seconde (3,5 Mo/s, soit un débit supérieur à celui de l'ADSL2+ 25 Mbits/s). Les pulses de lumière laser devaient être émises en direction de l'antenne de 5 mètres de diamètre du télescope de Hale de l'observatoire Palomar en Californie. Un site secondaire de réception aurait du être installé au Nouveau Mexique ou en Arizona. D'une puissance de 5 watts, le laser fonctionnait dans l'infrarouge. Le principal problème aurait été de viser juste : contrairement aux ondes radios, qui se propagent dans toutes les directions, la lumière laser forme un mince pinceau, même après avoir traversé des centaines de millions de kilomètres ! Le laser aurait donc du être pointé avec une précision extrême sur les stations de réception. Cette technique de communication dépend également de la météo, le laser ne pouvant traverser les nuages. Au cours des prochaines décennies, les stations de réception au sol pour ce type de mission seront donc vraisemblablement abandonnées en faveur de satellites en orbite terrestre, ou de ballons évoluant à haute altitude.

MTO devait enfin emporter un dispositif permettant de tester un rendez-vous en orbite martienne. La mission de retour d'échantillon prévoit effectivement la capture, en orbite martienne, d'une petite capsule contenant des échantillons de roches et de sols, par un orbiteur. Cette étape, particulièrement délicate, se doit d'être intensivement testée avant qu'elle ne puisse être considérée comme réalisable. Pour tester les opérations de rendez-vous, MTO devait larguer une petite sphère équipée d'une balise radio, et attendre que celle-ci dérive de plusieurs milliers de kilomètres. L'orbiteur aurait alors du se lancer à sa poursuite, et tenter de s'approcher de sa cible à moins de 10 mètres en utilisant une caméra de poursuite et des récepteurs radios. Le coût de la mission a été estimé à 500 millions de dollars.

Mars Science Laboratory (MSL)

L'année 2011 verra l'envoi d'un nouveau rover, baptisé Mars Science Laboratory (MSL). Ce super robot de 600 kg sera alimenté, tout comme les sondes Viking, par des générateurs radio-isotopiques au plutonium et non des panneaux solaires, moins efficaces en terme énergétique. Il pourra fonctionner pendant des années et parcourir ainsi des centaines de kilomètres à la surface de Mars. Il est possible (mais de moins en moins probable pour des questions budgétaires) que la mission soit doublée, et que la NASA envoie non pas un, mais deux rovers identiques en 2011.

La mobilité à longue portée est considérée comme un point essentiel par les géologues. Les atterrisseurs Viking qui se sont posés sur Mars en 1976 étaient stationnaires et ils étaient uniquement équipés d'un bras mécanique. Ce dernier s'est révélé totalement inutile pour étudier les cailloux qui n'étaient qu'à quelques dizaines de centimètres des instruments scientifiques. La seule chose que les géologues étaient capables de faire avec le bras, c'était de déplacer et de pousser de quelques millimètres les rochers. Avec Viking, les merveilles géologiques d'un autre monde étaient enfin à portée de main, mais les géologues étaient pourtant incapables de les saisir. On pouvait aisément comprendre leur frustration !

Lors de la mission Pathfinder, la leçon avait été apprise et le spectromètre APXS, qui permettait d'obtenir la composition atomique des roches, avait été monté non pas sur l'atterrisseur fixe, mais sur le petit robot mobile qui l'accompagnait. Sojourner avait cependant une portée très limitée, et les géologues rêvent aujourd'hui de pouvoir se déplacer sur des centaines de kilomètres à la surface de Mars, sans être obligé de se cantonner au site d'atterrissage proprement dit. En ayant parcouru plusieurs kilomètres à la surface de Mars, les rovers Spirit et Opportunity ont redémontré en 2004 l'importance cruciale de la mobilité.

MSL arpentera les déserts glacés de la planète rouge pendant au moins une année martienne (soit deux années terrestres), et pourra fonctionner pratiquement en permanence, aussi bien le jour que la nuit. Il devra parcourir une distance minimale de 50 kilomètres. Son objectif principal sera d'étudier l'habitabilité de certaines régions de la surface martienne, c'est à dire la capacité d'un endroit de permettre, ou d'avoir permis, le développement de formes de vie.

Les instruments scientifiques de la charge utile (65 kg) ont d'ores et déjà été sélectionnés. Ils sont au nombre de 10, dont 6 sont jugés hautement prioritaires. Aucun n'est spécifiquement destiné à la recherche d'une vie présente ou passée et à quelques exceptions près, il s'agit de versions plus puissantes d'instruments ayant déjà volé. On trouve ainsi la traditionnelle caméra stéréo couleur, une caméra microscopique (semblable à celle des rovers Spirit et Opportunity), un spectromètre alpha rayons X (APXS) pour déterminer la composition élémentaire (atomique) des roches et similaire à celui embarqué sur les MER et le rover Sojourner, et enfin une caméra de descente plus sophistiquée que celle de Spirit et Opportunity. Le laboratoire mobile comprendra également un diffractomètre rayons X couplé à un spectromètre à fluorescence (ce dernier ayant déjà été embarqué sur Viking) pour étudier de manière très fine la minéralogie des roches, ainsi qu'un chromatographe phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse (GC-MS, appareil lui aussi embarqué sur Viking en 1976, certes dans une version bien moins sensible).

Capable de détecter des traces de matière organique, cet instrument est véritablement le seul équipement de MSL capable d'apporter des résultats significatifs en terme d'exobiologie. Le GC-MS de MSL sera accompagné d'un spectromètre laser (ensemble, ils formeront le package SAM), et pourra étudier aussi bien l'atmosphère que les roches. Parmi les instruments nouveaux se trouvent un détecteur de radiations (qui viendra complémenter les mesures effectués par l'instrument MARIE de la sonde Mars Odyssey) et un spectromètre à ablation laser (ChemCam), capable de vaporiser grâce à un rayon laser la surface des roches et du sol dans un rayon de 10 mètres pour en déterminer la composition élémentaire.

En plus des instruments précédents, le rover emportera aussi un détecteur à neutrons (similaire par son fonctionnement à celui embarqué sur l'orbiteur américain Mars Odyssey) pour mesurer la teneur du sol en eau, une station météorologique et, c'est une première, un capteur ultraviolet. Les scientifiques estiment effectivement que la surface martienne est baignée par un rayonnement UV agressif, et que ce dernier est responsable de l'absence de matière organique dans les couches les plus superficielles du sol (c'est en partie à cause de l'absence de matière organique que les expériences de recherche de vie des sondes Viking ont été interprétées comme étant négatives). Comme nous pouvons le voir, la charge utile du rover MSL semble donc conséquente, même si la NASA pourrait être amenée à revoir dans les années qui suivent ses ambitions à la baisse pour des questions de coût ou de poids. Il est également particulier regrettable que l'agence spatiale américaine se soit montrée une nouvelle fois réticente et frileuse à l'emport d'expériences d'exobiologie dignes de ce nom, même si le GC-MS pourrait fournir des données fondamentales sur la matière organique ou le méthane. Notons enfin qu'une participation française existe sur deux instruments, le chromatographe phase gazeuse/spectromètre de masse du package SAM et le spectromètre à ablation laser ChemCam.

Outre ses objectifs scientifiques, l'atterrisseur servira également à valider de nouveaux systèmes qui amélioreront la précision et la sécurité lors de la phase d'entrée, de descente et d'atterrissage (EDL, Entry Descent Landing).

Première innovation, la phase de rentrée atmosphérique sera pilotée. Lorsque la sonde, protégée par son bouclier thermique, rencontrera les hautes couches de l'atmosphère, elle pourra contrôler activement sa trajectoire grâce à de petits moteurs, plutôt que de se laisser "tomber". Ce pilotage va permettre de corriger les déviations dues à l'activité atmosphérique et les erreurs liées à notre mauvaise connaissance de l'atmosphère martienne. Le résultat sera une réduction d'un facteur 100 de la taille de l'ellipse d'incertitude, c'est à dire de la zone au sein de laquelle la sonde va se poser. Pour la mission Pathfinder, cette ellipse mesurait 200 kilomètres de long sur 100 kilomètres de large. Avec une phase hypersonique pilotée, l'ellipse ne mesure déjà plus que 3 kilomètres de long pour 1 kilomètre de large. Ce n'est pas encore un atterrissage dans un mouchoir de poche, mais on s'en rapproche. A l'heure actuelle, les ingénieurs planchent sur une version de MSL capable de réaliser un atterrissage à 100 mètres près.

Deuxième amélioration pour l'atterrissage, l'atterrisseur sera doté d'un système d'évitement des dangers pour la phase d'approche finale. Une fois à quelques centaines de mètres au-dessus de la surface, l'atterrisseur activera un altimètre laser qui construira une carte en 3D du site d'atterrissage. Grâce à cette carte, il pourra repérer d'éventuelles zones dangereuses (crevasses, pentes trop prononcées, cailloux imposants, etc). Un ensemble de moteurs lui permettront alors de se déporter latéralement et de louvoyer dans l'air pour se positionner au-dessus d'une zone sûre. Il ne lui restera plus qu'à se stabiliser horizontalement avant d'entreprendre une descente verticale et de se poser.

Pour rejoindre la surface de Mars, et après une descente effectuée derrière un bouclier thermique puis sous un parachute, MSL n'utilisera pas des rétrofusées comme les atterrisseurs Viking, ni des airbags comme la sonde Pathfinder ou les rovers Spirit et Opportunity. Les ingénieurs travaillent effectivement sur un système original baptisé Skycrane. Cette sorte de soucoupe volante transportera le rover et se stabilisera à environ 5 mètres de la surface martienne, grâce à un ensemble de rétrofusées. MSL descendra alors vers la surface le long de trois câbles, qui seront immédiatement sectionnés lorsque les roues toucheront le sol. Devenu inutile, le Skycrane s'envolera dans le ciel martien pour aller s'écraser au loin.

Le concept de Skycrane présente de nombreux avantages par rapport aux précédents systèmes d'atterrissage. La grue volante peut effectivement rester en l'air jusqu'à la découverte d'un endroit suffisamment plat, alors que les sondes basées sur une plateforme équipée de rétrofusées pouvaient juste descendre à la verticale et compter sur la chance pour ne pas atterrir sur une pente ou une pierre volumineuse. Par rapport aux airbags, le Skycrane est bien moins sensible aux vents de travers, tout en étant bien plus léger (d'ou des économies substantielles en carburant). Enfin, ce système est idéal pour effectuer un atterrissage de précision, alors que les airbags ont la fâcheuse tendance à parcourir plusieurs kilomètres en rebondissant  avant de s'arrêter définitivement. Enfin, le rover est immédiatement opérationnel à la surface de Mars, alors que dans le cas d'une plateforme conventionnelle, la descente vers le sol martien peut prendre plusieurs jours (12 jours dans le cas du rover Spirit, l'une des rampes de descente ayant été obstrué par un coin d'airbag).

Pourtant, les ingénieurs vont devoir faire face à un inconvénient majeur : celui du balancement du rover sous la plateforme volante lors de la descente, balancement qui ne pourra être contrebalancé que par un contrôle extrêmement précis de l'orientation de la plateforme. Si les ingénieurs se retrouvent confrontés à un problème insoluble, ils devront abandonner le concept de Skycrane en faveur d'une plateforme conventionnelle, dotée de rétrofusées et sur laquelle le rover sera fixée.

Foreur profond (Deep Drilling)

A partir de 2013, le programme devient beaucoup plus flou, et les informations mentionnées ci-dessous sont à prendre avec des pincettes, étant donné qu'elles ne reflètent pas un planning définitif.

La possibilité de forer la croûte martienne sur plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de mètres semble fondamentale pour la recherche de microorganismes vivants. Si des bactéries, nées il y a des milliards d'années sur Mars, ont été capables de survivre au long refroidissement et desséchement de la planète, ces dernières se sont selon toute probabilité réfugiées dans les profondeurs du sous-sol martien, dans des environnements ou la glace peut être chauffée par la chaleur résiduelle de Mars pour donner naissance à de l'eau liquide. La NASA a donc dans ses cartons un projet baptisé "Deep Drilling", qui consisterait à envoyer sur la planète rouge un engin très sophistiqué, capable d'effectuer des forages de plusieurs mètres dans la croûte martienne, et de ramener des carottes pour analyse. La date de lancement de la mission "Deep Drilling" varie selon les approches scientifiques.

Retour d'échantillons

Le retour d'échantillons (présentée dans un dossier séparé) constitue vraisemblablement le saint graal de l'exploration martienne, et sera l'aboutissement logique du programme d'exploration robotique de la planète rouge. L'ancien programme d'exploration, défini après l'annonce en 1996 de la découverte de nanofossiles dans la météorite ALH84001, prévoyait une mission de retour d'échantillons en 2005 et 2008. Criblée par des problèmes majeurs, aussi bien techniques que scientifiques et budgétaires, cette dernière fut annulée, et repoussé de plusieurs années, en 2011. La France, par l'intermédiaire de l'ambitieux programme PREMIER, était un partenaire majeur de cette aventure. Le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) devait en effet fournir l'orbiteur sensé assurer le retour des précieux échantillons sur Terre. Malheureusement, la France fut contrainte de se retirer du projet pour des raisons budgétaires, laissant seul les Etats-unis. La coopération internationale ne semble plus d'actualité, et même si les récents succès de l'agence spatiale européenne sur les missions Huygens (pose d'un atterrisseur sur Titan), Mars Express ou Smart-One (orbiteur lunaire propulsé par des moteurs ioniques) aurait pu rapprocher l'ESA de la NASA, les deux agences travaillent actuellement séparément sur leur propre mission de retour d'échantillons.

Ce type de mission permettra de faire un gigantesque bond en avant dans la connaissance de la planète Mars. Par rapport aux instruments embarqués sur les sondes spatiales, même les plus sophistiqués, les appareils d'analyses qui équipent les laboratoires terrestres permettent de faire des études beaucoup plus fines et poussées. De plus, contrairement aux instruments envoyés sur Mars, qui par définition ne peuvent plus être modifiés, les instruments sur Terre subissent des améliorations incessantes, qui les rendent toujours plus puissants. Les échantillons peuvent donc être ré-éxaminer bien des années après leur retour et autant de fois que nécessaire par des instruments nouveaux ou plus puissants, et conduire ainsi à de nouvelles découvertes, ou à une réévaluation des découvertes effectuées à l'époque.

Par définition, une mission de retour d'échantillons sera complexe, coûteuse, et très risquée, aussi bien d'un point de vue technique que scientifique. De nombreuses avancées technologiques devront avoir été réalisées, comme l'aérocapture, la mise au point d'un véhicule de remontée, ou encore le rendez-vous en orbite martienne. D'un point de vue scientifique, le choix du site d'atterrissage est absolument crucial, et ce dernier devra impérativement avoir été sélectionné avec la plus grande attention d'après les objectifs scientifiques à atteindre, de manière à éviter de dépenser des milliards de dollars pour ramener le mauvais type de roche. Immédiatement après leur retour sur Terre, les échantillons devront être stockés dans un laboratoire de haute sécurité, pour empêcher une contamination de la Terre par d'éventuels germes martiens, et pour prévenir en retour toute contamination des échantillons martiens par des microbes terrestres ou des quantités même infimes de substances terrestres.

Le coût de la mission de retour d'échantillons dépassera sans doute les 4 milliards de dollars, et quelle que soit l'approche scientifique choisie, l'échéance apparaît comme très lointaine. Du côté de la NASA, la première tentative n'aura sans doute pas lieu avant 2013, voire 2016. Si tout va bien, dans une dizaine d'années donc , une sonde s'élancera à la poursuite d'une petite capsule de 15 centimètres de diamètre, bourré à ras bord de roches et de sols. Bien malin est celui qui pourra prédire ce qu'elle nous apprendra, une fois que nous l'aurons ramené ...

Les validations technologiques

Si le nouveau programme d'exploration martienne est avant tout scientifique, il va également servir à valider de nouvelles technologies, indispensables pour mener à bien certaines missions comme le retour d'échantillons, ou préparer l'arrivée de l'homme sur Mars. Dans le cadre de l'initiative d'exploration spatiale (Space Exploration Initiative) lancée par le président Georges Bush en janvier 2004, plusieurs démonstrateurs technologiques (testbed) pourraient être lancés vers Mars. Des expérimentations pourraient également trouver place sur les sondes scientifiques. Jusqu'à présent, la seule expérience à connotation humaine est l'instrument MARIE embarqué sur Mars Odyssey. Les principales innovations technologiques que la NASA compte développer sont listées ci-dessous :

  • Amélioration de la précision et diminution du risque lors des atterrissages : ce point a déjà été évoqué plus haut. Il s'agit de diminuer la taille de l'ellipse d'atterrissage en pilotant la sonde pendant la rentrée atmosphérique et d'être capable de réagir aux dangers potentiels du site d'atterrissage grâce à un système d'évitement d'obstacles (altimètre laser probablement). En 2001, le robot MSL (Mars Science Laboratory) devrait ainsi réaliser un atterrissage de précision à 100 mètres près.
  • Aérocapture : Cette technique permet à une sonde de s'insérer en orbite en utilisant l'atmosphère martienne (plutôt que des moteurs chimiques classiques) pour freiner violemment. Extrêmement prometteuse (la masse de la sonde est diminuée de 30 %, ce qui représente une belle économie), l'aérocapture joue un grand rôle dans la mission de retour d'échantillons et cette technique devra donc impérativement être éprouvée avant toute utilisation future. Notons également que l'aérocapture est évoqué dans bon nombre de projets de missions habitées. Cette technique pourrait être testée en 2013 ou 2016, lors de la première mission de retour d'échantillons.
  • Rendez-vous en orbite martienne : L'orbiteur de récupération impliqué dans la mission de retour d'échantillons devra réaliser un challenge incroyable : repérer à des milliers de kilomètres un container de 15 à 20 centimètres de diamètre et, après s'être rapproché de lui, manœuvrer pour l'attraper. Il est impératif de prouver que nous sommes capables d'une telle prouesse technique, avant de concevoir une mission dont le succès repose sur ce rendez-vous. Le satellite de télécommunication martien MTO aurait du emporter avec lui un container de test qu'il aurait lâché en orbite avant de se lancer à sa poursuite pour le capturer.
  • Véhicule de remontée martien (MAV) : Dans la mission de retour d'échantillons, le container cylindrique contenant les échantillons de roches, de sols et d'atmosphère sera placé en orbite par une petite fusée qui décollera de la surface de Mars. Là encore, cette étape cruciale nécessitera une validation. Contrairement aux trois autres, cette dernière ne nécessitera cependant pas une simulation grandeur nature sur Mars et les ingénieurs pourront se contenter de tester la fusée sur Terre.
  • Production de carburant in-situ (ISRU) : L'objectif de cette expérimentation est audacieux. Il s'agit de valider les technologies permettant la production in situ de carburant à partir de l'atmosphère de Mars (ce qui permettra de réduire considérablement le coût et la masse d'une mission).  Le principe de fabrication de l'ergol est assez simple et utilise la réaction de Sabatier. Un réacteur va combiner du CO2 avec de l'hydrogène en présence d'un catalyseur (comme le nickel ou le ruthénium) pour donner du méthane et de l'eau suivant cette réaction : CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O. Ce qui est intéressant, c'est que le CO2 proviendra de l'atmosphère martienne (celle ci sera d'abord compressée, liquéfiée, puis purifiée). L'hydrogène sera par contre emporté depuis la Terre, (ce qui n'est pas vraiment un handicap car la quantité nécessaire n'est pas importante), à moins, cerise sur la gâteau, qu'il ne puisse être obtenu par électrolyse de l'eau contenue dans le sous-sol de Mars sous forme de glace. Le méthane produit servira de combustible. L'eau, soumise à une électrolyse, libérera de l'oxygène (comburant) et de l'hydrogène qui sera ensuite réinjecté dans le circuit. Le moteur utilisé pour consommer ce carburant brûlera donc du méthane et de l'oxygène. Ce mélange a déjà été étudié et il présente de bonnes performances, mais sa plus faible densité explique qu'on lui préfère le couple hydrogène/oxygène.

D'autres techniques seront également testées au fil des missions, comme le forage en profondeur ou la miniaturisation de certains instruments scientifiques.

Le programme Aurora de l'ESA

En novembre 2002, l'agence spatiale européenne (ESA) a levé le voile sur un ambitieux programme d'exploration du système solaire, Aurora. L'objectif d'Aurora est de formuler puis d'implémenter un planning pour l'exploration du système solaire par des robots et des hommes en vue d'y rechercher des traces de vie.

Aurora n'existe pour l'instant que sur le papier, et il n'est pas certain que l'agence spatiale européenne puisse convaincre ses états membres d'y adhérer. Aurora comprend plusieurs étapes majeures. Entre 2009 et 2015, l'ESA compte lancer des missions robotiques vers la planète rouge pour y rechercher des traces de vie et effectuer des retours d'échantillons prélevés à la surface de Mars. Durant l'étape suivante (2020-2025), des robots devront construire un avant poste martien, tandis que l'homme retournera sur la Lune, avant de s'élancer, entre 2025 et 2030, vers la planète rouge.

La première mission du programme Aurora pourrait partir en juin 2011. Contrairement à la première mission européenne, l'orbiteur Mars Express, elle comportera obligatoirement une sonde de surface. Trois missions sont potentiellement candidates pour un lancement en 2011 : ExoMars, composé d'un orbiteur et d'un rover, ExoMars-Lite, une mission identique à la précédente mais sans l'orbiteur, et enfin BeagleNet, un petit réseau de sondes similaires à l'atterrisseur Beagle 2, et emportant un sismomètre emprunté au projet NetLander. Il semble de plus en plus certain que le choix portera sur le rover ExoMars-Lite.

Quelle que soit sa nature, la sonde sera lancée depuis le spatioport de Kourou en Guyane française par une fusée Soyouz Fregat 2b. La fenêtre de tir de 2011 étant particulièrement défavorable pour le lancement de sondes vers Mars, la sonde mettra 2 ans avant d'atteindre la planète rouge en 2013. Après avoir rejoint la surface martienne grâce à un bouclier thermique, un parachute et des airbags (qui seront peut-être remplacé dans la version finale par des rétrofusées), le rover aura pour mission de rechercher des traces d'une vie passée (fossile) ou présente sur Mars, et d'analyser finement son environnement (surface et sous sol), et de déterminer les dangers que représente la surface et l'environnement martien pour des missions habitées. La charge utile comprendra certainement un sismomètre (qui permettra de détecter des tremblements de Mars, ou une activité volcanique ou hydrothermale), ainsi qu'un analyseur dérivé du Gas Analysis Package (GAP) de la petite capsule britannique Beagle 2. L'un des objectifs de cet instrument sera d'analyse les traces de méthane et de formaldéhyde détecté par le spectromètre infrarouge PFS de la sonde Mars Express. Le rover sera également équipé d'un dispositif de forage capable de prélever des échantillons jusqu'à 2 mètres de profondeur dans le sol martien. Les communications entre le rover et le centre de contrôle terrestre seront relayées par des orbiteurs américains.

Pour en savoir plus :

Go ! Chroniques martiennes : Le programme martien au bord de la désintégration.
Go ! La mission de retour d'échantillons martiens.

Comparaison des robots américains

L'étude de la surface martienne passe par une mobilité à longue portée, comme le prouve l'énorme robot (à droite) que la NASA compte envoyer vers Mars en 2011. Le premier robot martien Sojourner (à gauche) et les véhicule MER de 2003 sont dessinés à titre de comparaison (Crédit photo : NASA/JPL).

Une sonde Scout

Dessin d'artiste d'un atterrisseur de la classe "Scout". Il ressemble étrangement à la sonde Beagle 2 ou à une station NetLander. Les sondes Scout  sont normalement séparées du programme martien principal, et doivent effectuer des investigations scientifiques dans des domaines qui ne sont pas ou peu couverts par les sondes principales (Crédit photo : NASA/JPL).

Planeur martien (Scout)

Parmi les missions "Scout" qui seraient proposées dans un futur proche, on trouve un concept d'un avion qui rappelle le projet Kitty Hawk (Crédit photo : NASA/JPL).

Mars Telecommunication Orbiter (MTO)

En 2009, la NASA devait lancer le premier satellite de télécommunication martien. Affublé du sigle MTO, celui-ci constituait le premier élément d'un réseau de télécommunication martien. Grâce à un équipement sophistiqué, il aurait du relayer les données émises par les futurs atterrisseurs et rovers en action à la surface de Mars. Le débit atteint aurait été au moins 10 fois plus important que celui de la sonde Mars Odyssey, qui a transmis vers la Terre la plus grande partie des informations collectées par les rovers Spirit et Opportunity. MTO devait également être équipé d'un laser lui permettant de communiquer avec la Terre au débit record de 30 millions de bits par seconde. La sonde devait enfin servir de banc d'essai pour tester un rendez-vous en orbite martienne, manoeuvre indispensable dans le cadre d'une mission de retour d'échantillons. Le satellite aurait largué un petit container sphérique de test, avant de tenter de s'en approcher à moins de 10 mètres, et ce au cours de 6 à 12 tentatives. La mission a été annulée en juillet 2005 (Crédit photo : Corby Waste/NASA).

Atterrisseur de 2011

S'il est avant tout scientifique, le nouveau programme d'exploration martienne va également servir à valider un certain nombre de technologies jugées cruciales pour l'avenir. Sur ce dessin d'artiste, un atterrisseur s'apprête à se poser dans une région aux reliefs très marqués. L'engin est non seulement capable d'effectuer un atterrissage de précision, mais il peut également éviter à la dernière minute une pente trop forte ou un rocher menaçant. Un atterrissage précis et sécurisé permettra enfin aux atterrisseurs de s'aventurer dans des régions difficiles d'accès qui sont paradoxalement les plus intéressantes d'un point de vue scientifique. Les traces récentes d'écoulements liquides mises en évidence par la sonde Mars Global Surveyor sur des versants abruptes de cratères d'impact et de vallées illustrent parfaitement le paradoxe (ces rigoles sont d'ailleurs visibles sur la falaise à l'arrière plan). L'atterrisseur intelligent dépeint sur cette image, qui pourrait partir en 2011, transportera un robot mobile d'une taille imposante (Crédit photo : NASA/JPL).

Astrobiology Field Lab

A partir de 2013, la NASA pourrait envoyer sur Mars une version améliorée du rover MSL prévu pour 2011. Baptisée Astrobiology Field Lab, ce dernier sera un véritable laboratoire de terrain dévolu à la recherche de traces de vie passée ou présente (Crédit photo : Corby Waste/NASA).

Deep Drilling (forage profond)

La mission Deep Drill comprendrait une sonde capable de forer le sous-sol sur une profondeur de 10 à 20 mètres. Un prélèvement en profondeur permettrait de récupérer des échantillons n'ayant pas subi les outrages de la surface martienne (rayonnement ultraviolet, composés oxydants du sol martien), et pourquoi pas de détecter des formes de vie enfouies dans le sol (Crédit photo : Corby Waste/NASA).

Mission  de retour d'échantillons

Dans sa version simple, la mission de retour d'échantillons comprendrait un atterrisseur fixe équipé d'un bras robotique pour la collecte d'échantillons à proximité immédiate du site d'atterrissage. Ceux-ci seraient stockés dans une petite capsule, qui serait envoyé en orbite martienne par une mini-fusée. Un orbiteur se chargerait alors de la récupération du précieux container et de son retour sur Terre. Devant l'éclatante démonstration de l'importance de la mobilité par les rovers Spirit et Opportunity, il semble de plus en plus certain que ce type de mission sera abandonnée en faveur d'une version complète, ou la plateforme de tir sera desservie par un rover collecteur d'échantillons. Le rover pourrait éventuellement appartenir à une autre mission, envoyée quelques années auparavant sur Mars. Cette solution audacieuse est malgré tout assez risquée : le rover pourrait subir une panne soudaine, et ne plus être en mesure de délivrer ses échantillons (Crédit photo : Corby Waste/NASA).

L'orbiteur de la mission de retour d'échantillons

Une fois en orbite martienne, les échantillons, stockés dans une petite capsule de la taille d'un ballon de football, seront récupérés par un orbiteur (Crédit photo : Corby Waste/NASA).

Le programme Aurora de l'Agence Spatiale Européenne (ESA)

Le programme Aurora représente les ambitions de l'agence spatiale européenne (ESA) pour l'exploration à long terme du système solaire et la recherche de traces de vie (Crédit photo : ESA).

Le rover Exomars

La première phase du programme Aurora consiste à envoyer en 2011 un rover sur Mars pour conduire des expérimentations exobiologique (Crédit photo : ESA).

Lancement d'échantillons martiens  (mission de retour d'échantillons)

L'étape suivante consistera à mettre au point une mission de retour d'échantillons martiens. L'image ci-contre montre l'envoi des échantillons en orbite martienne, par un véhicule de remontée, dont la conception n'aura rien d'une partie de plaisir (Crédit photo : ESA).

Orbiteur de récupération des échantillons (mission de retour d'échantillons)

Une fois en orbite, les échantillons seront récupérés par un orbiteur, qui sera ensuite chargé de les ramener sur Terre. Cette phase, qui comporte une manoeuvre complexe de rendez-vous entre le container contenant les échantillons et l'orbiteur, devra avoir été testée au préalable (Crédit photo : ESA).

 

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