Netlander

Un réseau à la surface de Mars

Le projet NetLander consiste à mettre en place à la surface de Mars un réseau scientifique de quatre petites stations. La mise en place d'un réseau de stations d'observation à la surface d'une planète est indispensable pour effectuer des études dans des domaines aussi complexes que l'étude du climat (météorologie) ou l'analyse de la structure interne d'une planète (sondage sismique et magnétique, géodésie). Dans ces domaines, il est fondamental de recevoir simultanément des informations depuis un grand nombre de régions différentes.

Les résultats scientifiques qui peuvent être collectés par ce type de réseau sont considérables et l'idée de réseau scientifique ne date pas d'hier (projets Mesur, Marsnet et InterMars Net). Elle figurait par exemple déjà dans un document publié par l'ESA en 1989, mais elle n'avait encore jamais été mise en œuvre. Rappelons que les deux sondes Viking qui s'étaient posées à la surface de la planète rouge ont travaillé de manière indépendante. La mission Deep Space 2 constitue un précurseur d'une mission de type "réseau", mais avec NetLander, ce sera la première fois que l'on déposera sur Mars plusieurs stations qui travailleront pendant une période de temps suffisamment importante pour amasser d'intéressants résultats scientifiques. Il n'est cependant pas exclu que le réseau NetLander soit rejoint et agrandi par le lâcher d'un certain nombre de pénétrateurs basés sur le concept de Deep Space 2, dans le cadre des fameuses micromissions !

Dans le meilleur des cas, un réseau de ce type doit être international, de manière à optimiser les résultats scientifiques, à réduire les dépenses et à éviter les doublons technologiques ou scientifiques. C'est le cas avec NetLander, qui réunit 80 scientifiques de 14 pays européens différents, sans compter la participation américaine.

Le casse tête du nombre de stations !

Quand on demande aux scientifiques le nombre de stations nécessaires pour un tel réseau, la réponse est en général toujours la même : le plus possible ! Le choix du nombre de stations dépend en fait d'un compromis entre les désirs des scientifiques et les contraintes habituelles des activités spatiales (coût et poids).

En sismologie, pour localiser avec précision un séisme par triangulation, trois stations au minimum sont nécessaires. On retrouve ce minimum quand on souhaite déterminer l'axe de rotation de la planète et ses paramètres (géodésie) ou mesurer les variations horizontales du champ magnétique d'une surface planétaire au cours du temps (magnétisme). En ajoutant un exemplaire de secours (histoire qu'une station défectueuse ne vienne pas compromettre l'ensemble de la mission), on tombe sur un minimum de 4 stations. Du point de vue météorologique il y a moins de contraintes sur le nombre minimum de stations. Plus il y en a, mieux s'est. Le nombre de quatre est un peu faible pour réaliser une couverture météorologique de qualité, mais avec les résultats fournis par d'autres sondes (Mars Express, micromissions), nul doute que la mission NetLander laissera sa trace dans l'histoire de l'étude du climat martien.

D'un autre côté, on peut se demander pourquoi on doit se contenter ici du minimum requis pour les études scientifiques. Malheureusement, même avec un coût récurrent plus faible que celui de la mission d'origine (les stations construites ultérieurement coûteront moins chers que les premiers exemplaires), la fusée qui lancera les NetLander ne permettra sans doute pas l'emport de modules supplémentaires. Les stations NetLander seront donc au nombre de quatre, pas une de plus, pas une de moins !

La mission

La mission NetLander avait d'abord été envisagée dans le cadre de la mission Mars Express (2003). Elle a ensuite été intégrée au vaste et ambitieux programme franco-américain de retour d'échantillons, dont le planning a été sérieusement compromis suite à la perte consécutive de Mars Climate Orbiter et Mars Polar Lander. Il a ensuite été question de les envoyer vers Mars avec la mission MASTER de l'ESA, qui n'a pas été retenue. Les Netlander devaient ensuite être lancés en 2009 avec le prototype de l'orbiteur français impliqué dans la mission de retour d'échantillons du programme international d'exploration de Mars. Depuis le retrait de la France et la remise à une date non déterminée du retour d'échantillons, les petites sondes Netlander se retrouvent sans vaisseau porteur et leur avenir est bien sombre. Pour la suite de ce dossier, nous supposerons que les Netlander ont trouvé une place à bord d'un orbiteur ...

Les stations NetLander voyagent sur le dos d'un l'orbiteur. Pendant la phase de croisière, les stations transmettent les données de télémétrie à l'orbiteur via un cordon ombilical. Celles-ci arrivent ensuite au centre de contrôle de l'orbiteur sur Terre.

10 à 30 jours avant l'arrivée sur Mars, les NetLander sont tous éjectés, selon une séquence qui dépend de leur site d'atterrissage respectif. Le mécanisme d'éjection imprime à chaque station un mouvement tournant, de manière à les stabiliser. Après cette séparation et jusqu'à l'atterrissage, chaque station est autonome.

Les modules arrivent sur Mars sur une trajectoire d'entrée balistique. L'entrée atmosphérique se produit à 120 km d'altitude, à une vitesse de 6 km/s. Les modules sont protégés d'une trop forte élévation de température par un bouclier thermique, dont les frottements avec l'atmosphère servent aussi à diminuer la vitesse de descente. Lorsque celle-ci est suffisamment basse, chaque station peut déployer successivement ses deux parachutes. Le premier a pour fonction de stabiliser l'engin pendant la descente, et le deuxième va servir à faire passer la vitesse verticale de la sonde en dessous des 25 m/s. Un peu avant le contact avec la surface martienne, deux airbags sont brusquement gonflés autour des NetLander. Ils serviront, comme dans le cas de Pathfinder, à amortir l'impact avec le sol martien. Les NetLander vont rebondir de nombreuses fois avant de s'immobiliser définitivement. Les airbags sont alors éjectés et le déploiement proprement dit peut commencer.

Le module de surface ouvre ses pétales, déploie son antenne de communication et quelques-uns de ses instruments scientifiques grâce à deux mâts qui supportent la caméra panoramique, la station météorologique, le magnétomètre et le capteur de champ électrique. Les séismomètres, contrairement à ceux des sondes Viking, ne resteront pas fixés sur la plate-forme, histoire d'éviter certains désagréments. Ils seront au contraire désolidarisés de la petite station et abandonnés directement sur le sol, tout en étant protégés des rigueurs de l'environnement martien par la masse de la station elle-même.

Les trois pétales du module de surface portent sur leur face interne des panneaux solaires qui vont servir à l'alimentation électrique de la station et à la recharge des batteries pour les opérations de nuit. La température est régulée à l'intérieur de l'atterrisseur par le sous système de contrôle thermique. Celui-ci est aidé dans sa tache par une solide isolation thermique et une unité de chauffage radioisotopique qui servira de source de chaleur au cas ou la quantité de courant fourni par les panneaux solaires tombe en dessous du minimum requis.

Les NetLander communiqueront avec la Terre grâce à une antenne UHF en utilisant l'orbiteur comme relais. Cette sonde emporte effectivement avec elle un relais radio qui doit permettre les communications radios avec les quatre stations NetLander. Notons que le système radio est également mis à contribution par l'expérience de géodésie. La composante orbitale de cette expérience est donc fournie par l'orbiteur.

Les petites stations seront éparpillées à 2000 ou 3000 kilomètres les unes des autres. L'une des stations atterrira sans doute dans l'hémisphère sud (Hellas Planitia), tandis que les trois autres se poseront dans l'hémisphère nord, vraisemblablement à proximité du dôme de Tharsis. Le cratère Gusev, qui présente un intérêt certain pour la recherche d'une éventuelle vie martienne, sera peut être aussi l'un des sites d'atterrissage. Les stations devront fonctionner pendant une année martienne (soit deux années terrestres) à la surface de Mars.

Les stations NetLander

NetLander est un vaste projet européen, et la France va y participer activement. NetLander va être développé par le Centre National d'Etudes Spatiales en France (CNES) et un certain nombre de partenaires européens : l'Institut Meteorologique Finlandais (FMI), l'Agence Spatiale Allemande (DLR), la Belgique et la Suisse (via le programme PRODEX de l'ESA). Les Etats-Unis (JPL) participaient aussi à la mission par l'intermédiaire du programme Discovery, mais ils ont décidé de mettre fin à leur coopération début 2003. Le CNES a la responsabilité du projet d'un point de vue global, ainsi que du développement du système permettant l'entrée atmosphérique, la descente et l'atterrissage des petites stations (EDL, Entry, Descent, Landing). Les modules de surface sont sous la charge du FMI, et la plate-forme est étudiée par la DLR. La charge scientifique est développée par plusieurs instituts dont l'Italie, la Belgique, la Finlande, la France, l'Allemagne, la Suisse, l'Angleterre, le Danemark et l'Autriche.

Les modules vont s'appuyer sur les résultats fournis par la capsule de rentrée atmosphérique de l'Aérospatiale (Atmospheric Reentry Demonstrator, ARD). Le poids total des quatre NetLander est de 210 kg. Chaque sonde pèse 47,5 kg (dont 30 kg pour le système permettant l'entrée, la descente et l'atterrissage et 17,5 kg pour le module de surface, qui mesure 47 centimètres de diamètre non déployé). Le mécanisme d'éjection monté sur l'orbiteur pèsera quant à lui 5 kg. La charge utile représente 4,5 kg. Elle va permettre d'aborder quatre grands domaines (la géophysique, la géologie, l'atmosphère et l'ionosphère), le plus souvent grâce à une approche multiparamétrique (confrontation de données provenant d'instruments différents). Parmi les instruments qui la composent, on trouve : 

  • Une station météorologique complète pour mesurer la pression, la température, l'humidité atmosphérique, la densité optique, la vitesse des vents ainsi que leur direction (ATMIS, Finlande, Italie, France, Angleterre).
  • Un capteur de champ électrique, pour la mesure de la conductivité électrique de l'atmosphère et des champs électriques qu'elle héberge (ELF, France).
  • Un radar (GPR, Ground Penetrating Radar, France) pour la détection de poches de glace et d'eau dans le sous-sol.
  • Un magnétomètre trois axes pour l'étude des champs magnétiques, de l'ionosphère et de la détection de réservoirs d'eau ou de glace dans le sous-sol martien (MAG ou MAGNET, Danemark, Autriche, France).
  • Une caméra panoramique stéréo multispectrale (PANCAM, France et Allemagne) pour les études géologiques, morphologiques et minéralogiques.
  • Deux seismomètres (1 seismomètre très large bande 2 axes et 1 seismomètre courte période 3 axes) pour étudier les tremblements de Mars et localiser des réservoirs d'eau ou de glace dans le sous-sol (SEIS, France, Suisse).
  • Un système radio (UHF et bande S) pour les communications avec l'orbiteur et l'expérience de Géodésie (NEIGE, NetLander Ionosphere and Geodesy Experiment, France, Belgique), qui comprend aussi l'expérience TEC (Total Electron Content).
  • L'expérimentation SPICE (Allemagne) qui devrait permettre d'étudier les propriétés thermiques du sol en mesurant la température à l'aide de nombreux capteurs (placés au contact de la surface ou implantés en de nombreux points de l'atterrisseur).
  • Un microphone (MIC, Planetary Society) similaire à celui embarqué sur la sonde Mars Polar Lander. Cet instrument est fourni par la Planetary Society, qui voit là une excellente occasion de faire revoler son expérience, même s'il faudra cette fois-ci en fournir 4 exemplaires.

Objectifs scientifiques

L'objectif des stations NetLander est d'étudier la structure interne de Mars, de localiser des réservoirs d'eau ou de glace dans le sous-sol martien sur quelques kilomètres de profondeur, de déterminer la minéralogie et les processus d'altération au niveau des sites d'atterrissage et enfin d'effectuer des mesures atmosphériques (étude de la couche limite, de la circulation globale, de l'ionosphère, des phénomènes électriques, de l'interaction surface/atmosphère). Pour répondre à ces différents points, de nombreux instruments scientifiques vont fonctionner de concert.

Détection de glace et d'eau dans le sous-sol martien

Si le radar qui équipe la sonde Mars Express permettra de détecter le toit du permafrost, les stations NetLander vont se livrer à une recherche de réservoirs d'eau ou de glace enfouis assez profondément sous la surface. Un sondage électromagnétique grâce au radar GPR permettra de rechercher des poches d'eau ou de glace jusqu'à 2 km de profondeur et de déterminer la frontière entre la glace et l'eau (dans les régions de latitude moyenne cette zone de transition devrait être à portée du radar). Ce sondage nous donnera aussi les premières informations sur la structure du sous-sol martien. Le sismomètre courte période (les ondes sismiques connaissent une variation de leur vitesse quand elles traversent des milieux comme l'eau ou la glace) et le magnétomètre rechercheront aussi de l'eau ou de la glace à plus grande profondeur (jusqu'à 8 km). NetLander va en fait s'appuyer sur des techniques de prospection pétrolière (sondage actif et passif) pour localiser d'éventuelles nappes d'eau liquide sous la surface. La prospection des ressources extraterrestres commence avec cette mission !

Les images obtenues depuis l'orbite martienne par les caméras des orbiteurs permettront de relier la géomorphologie des sites d'atterrissage avec les caractéristiques du pergélisol. Les cratères d'impact présentant des éjecta lobés permettent d'avoir une idée de la profondeur du pergélisol lors de leur formation il y a plusieurs milliards d'années. En comparant cette valeur avec la valeur actuelle obtenue par les stations NetLander, nous pourrons déterminer la différence de niveau du permafrost, donc le taux de sublimation de la glace et peut être même la porosité du sol.

Géodésie

La géodésie est l'étude de la forme générale d'une planète, de ses dimensions, de son champ de pesanteur (par gravimétrie) et des causes qui le déterminent. L'étude géodésique de Mars va permettre de déterminer très précisément les variations très fines de la durée du jour. Effectivement, en hiver, quand le CO2 atmosphérique se condense sur les calottes polaires, les pôles s'alourdissent et la planète tourne moins vite sur elle-même ! Bien sûr, cette variation est infinitésimale et elle se chiffre en centièmes de seconde. Il n'empêche qu'en la mesurant, on aura accès à des paramètres très intéressants concernant la structure interne de Mars (propriétés du noyau par exemple).

L'étude géodésique (NEIGE, NetLander Ionosphere and Geodesy Experiment) va utiliser le système radio en permettant à l'orbiteur de connaître avec une très grande précision la position des petites stations au sol. Le système radio est aussi mis en œuvre au sein de l'expérience TEC (qui fait partie intégrante de l'expérience NEIGE). Cette expérimentation a pour objectif de déterminer le contenu électronique total de l'ionosphère. L'ionosphère altère les signaux radios (décalage de phase) transmis entre les stations et un orbiteur. Pour avoir accès au contenu électronique total de l'ionosphère, il faut réaliser des mesures avec des signaux radios de fréquences différentes (ici, on utilise les bandes UHF et S). La bande UHF sert pour les transmissions radios et la bande S pour la géodésie, car elle permet d'éliminer l'effet de l'ionosphère.

Tremblements martiens et activité sismique

Malgré l'absence quasi certaine d'une tectonique des plaques active sur Mars, les seismomètres devraient pouvoir enregistrer des tremblements martiens grâce aux évènements sismiques fourni par le refroidissement thermo élastique de la planète (on espère environ 100 tremblements de magnitude supérieure à 3,8 et 20 tremblements de magnitude supérieure à 4,5 pendant la période d'activité des stations). Les impacts de météorites pourraient constituer la deuxième source d'activité sismique sur Mars. Les informations qui seront recueillies lors de ses tremblements seront essentielles pour l'étude de l'intérieur de la planète. Les ondes sismiques émises naturellement vont servir à réaliser une véritable échographie de l'intérieur planétaire, car elles ne se propagent pas à la même vitesse suivant la composition et la nature du milieu traversé. La différence dans leur vitesse de propagation permettra donc de dresser une carte des variations de la composition chimique de l'intérieur de la planète (on voit que ce ne sont pas les tremblements en eux-mêmes qui sont intéressants, mais les informations qu'ils vont permettre d'acquérir). Les stations NetLander seront également capables de quantifier l'influence de l'atmosphère et les phénomènes de marées produits par le Soleil et la plus proche des lunes martiennes, Phobos.

Structure interne

Le seismomètre très large bande, le magnétomètre et l'expérience de géodésie vont servir à étudier l'intérieur de la planète rouge, en particulier la taille du noyau, son état (liquide ou solide), la composition chimique du manteau et sa structure. Nous aurons ainsi accès aux vitesses de propagation des ondes sismiques, à la conductivité et à la densité des différentes couches qui composent Mars. C'est le seul moyen de pénétrer en profondeur à l'intérieur de Mars. Effectivement, les analyses des météorites SNC et celles qui seront effectuées sur les échantillons ramenés par les engins de la mission de retour d'échantillons ne fourniront que des indications sur la composition chimique des enveloppes superficielles de la planète rouge.

Ces mesures seront complétées par des expériences in-situ réalisées dans des laboratoires terrestres. Les chercheurs commenceront à mélanger ensemble différents minéraux, avant de soumettre la mixture obtenue à différentes températures et pressions. En modifiant différents paramètres (minéraux en présence, température, pression), ils chercheront à reproduire les valeurs mesurées sur Mars (densité, conductivité, vitesse de propagation des ondes sismiques).

De la composition des corps du système solaire, nous ne connaissons que celle de la Terre, de la Lune et de certains astéroïdes. La connaissance de la composition chimique d'une autre planète tellurique telle que Mars (par l'intermédiaire de la structure interne, qui reflète assez bien la composition chimique) serait un avantage certain pour progresser dans notre compréhension de la formation du système solaire.

Quand nous connaîtrons parfaitement la structure interne de Mars, nous pourrons en déduire un inventaire des matériaux qui ont été utilisés lors de sa formation. L'étape suivante sera de comparer ces données avec celles de la Terre et de mettre sur pied une théorie de la formation des deux planètes, qui puisse rendre compte des points communs et des différences observées pour ses deux corps. Cette théorie devra de plus s'inscrire dans celle plus générale de la formation du système solaire. Elle devra expliquer et tenir compte de nombreux paramètres, comme la distance qui existe entre Mars et la Terre par rapport au Soleil, la nature des matériaux accrétés, leur état (oxydé ou réduit), la nature de l'atmosphère dégazée, le rôle des substances volatiles (eau, CO2), l'évolution du rapport Fer/Silicate. De nombreux modèles théoriques sont déjà en place. Ils n'attendent plus que les résultats des stations NetLander pour être contraints !

Etude de l'atmosphère

Les études météorologiques menées sur chaque site (pression, température, humidité, vitesse et direction des vents) seront complétées par une mesure de l'opacité de l'atmosphère et un examen de son champ électrique, que l'on soupçonne d'être assez important. Ce champ pourrait jouer un rôle majeur dans les mécanismes de transport des particules poussiéreuses qui sont à l'origine des fameuses tempêtes de poussière. Combiné avec le magnétomètre, le système radio fournira aussi des indications sur la structure et la dynamique de l'ionosphère, cette couche bien particulière de l'atmosphère martienne. Comme pour l'étude de la structure interne, les mesures météorologiques seront confrontées à des modèles numériques de la circulation atmosphérique globale qui tourneront sur des ordinateurs terrestres.

Géologie et minéralogie

La caméra panoramique stéréo fournira des renseignements sur la géologie et la morphologie des sites d'atterrissage, sur la taille, la forme, la texture des roches et du sol. Si cette caméra est similaire à celle de Pathfinder, la mission NetLander aura cependant l'avantage du nombre de sites d'atterrissage : on pourra en découvrir quatre en une seule fois ! La caméra permettra aussi de mener à bien une étude minéralogique grâce à ses capacités multispectrales dans le domaine infrarouge. Le magnétomètre fournira des informations très intéressantes sur la magnétisation des terrains aux alentours du site d'atterrissage.

Remerciements :

Un grand merci à Philippe Lognonné, coordinateur scientifique français de NetLander (IPGP) et à Olivier Marsal, chef de projet NetLander au CNES pour les renseignements qu'il m'ont fourni ainsi que pour leurs encouragements (notez que les informations de cette page n'engagent en aucun cas ces personnes. Je suis le seul responsable des erreurs et inexactitudes qui auraient pu s'y glisser). A mon tour de souhaiter bon courage à toute l'équipe technique et scientifique de cette mission originale et prometteuse. Longue vie à NetLander !

Pour en savoir plus :

Go ! La structure interne de Mars : informations générales et résultats fournis par Pathfinder.
Go ! La mission Deep Space 2.
Go ! Les micromissions, en particulier le projet Pascal.
Go ! Liste de liens concernant NetLander (page de bibliographie).

Le concept du réseau

La mise en place d'un réseau d'observation planétaire nécessite l'envoi simultané d'un grand nombre de sondes (entre dix et quinze) à la surface de Mars. Ces sondes pourraient éventuellement être lancées à partir d'un seul vaisseau mère (Crédit photo : droits réservés).

Netlander

Le vaisseau mère du projet NetLander fonce vers son objectif, la planète Mars. On distingue les quatre petites stations disposées en croix, à l'arrière du vaisseau. Chacune sera larguée séparément et atterrira sur un site différent. D'après le film dont cette image est tirée, les sondes atterriront sur Amazonis Planitia, Arcadia Planitia, Chryse Planitia et Hellas Planitia. Trois des quatre stations devraient donc former un triangle équilatéral dans l'hémisphère nord, alors que la dernière se retrouverait isolée au niveau du bassin d'Hellas dans l'hémisphère sud. (Crédit Photo : FMI, Finnish Meteorological Institute).

Netlander

Une petite station descend vers la surface de Mars, en utilisant les frottements de l'air sur un bouclier thermique de 90 centimètres de diamètre pour ralentir (Crédit Photo : FMI, Finnish Meteorological Institute).

Netlander

L'atterrissage passif des NetLander aura lieu grâce à un ballon protecteur (airbag) selon une technique mise au point dans les années 1960 pour les sondes Luna et employée plus récemment pour Pathfinder. L'entrée dans l'atmosphère est suivie du déploiement de deux parachutes, de l'éjection du bouclier thermique, du largage de la sonde au bout de sa bride et finalement du gonflage des deux ballons protecteurs avant l'arrivée au sol. L'airbag mesurera 110 centimètres de diamètre (Crédit Photo : FMI, Finnish Meteorological Institute).

Netlander

L'arrivée au sol sera brutale (la vitesse sera de l'ordre de 70 km/h), et les airbags devront jouer leur rôle pour protéger les précieuses stations. Chaque NetLander effectuera plusieurs rebonds avant de s'immobiliser définitivement, les premiers pouvant dépasser plusieurs dizaines de mètres (Crédit Photo : FMI, Finnish Meteorological Institute).

Netlander

Une fois le choc de l'atterrissage passé, chaque petite station détermine son orientation avant de s'ouvrir comme les pétales d'une fleur. Le mécanisme d'ouverture permet de replacer si nécessaire la station dans la bonne position. Les panneaux solaires sont disposés sur chaque pétale. La partie blanche, à gauche, est une relique de l'airbag qui a servi à amortir le choc avec la surface (Crédit Photo : FMI, Finnish Meteorological Institute).

Netlander

La dernière étape de l'atterrissage consiste à déployer les instruments scientifiques : d'abord la caméra panoramique sur son mât, et ensuite les capteurs météorologiques. Puis survient l'opération la plus délicate : le découplage des sismomètres de la masse de la station et leur dépose sur le sol martien. L'image ci-dessus montre une station complètement déployée, montrant la caméra panoramique sur son mât de 70 centimètres de haut et le mât météorologique, qui comporte aussi le magnétomètre et le capteur de champ électrique (Crédit Photo : FMI, Finnish Meteorological Institute).

Etude du sous sol

Le radar est un superbe instrument pour étudier le sous-sol d'une région. En envoyant des ondes électromagnétiques et en analysant l'écho provenant des interfaces des différentes couches de matériaux aux propriétés électriques différentes, on peut cartographier le sous-sol. Par exemple, une couche de terrain riche en glace ne renvoie pas les signaux radios de la même manière qu'une couche de sol saturé d'eau. Ici, la photographie montre les données brutes recueillies par un radar sur une profondeur de 6 mètres, au cours de l'expédition Haughton. On observe une longue ligne qui représente le sommet du permafrost. La couche de glace est plus importante près de la falaise (cliff wall, à gauche). Le radar des stations NetLander fournira des images similaires à celle-ci (Crédit photo : droits réservés).

Contribution instrumentale sur NetLander

La contribution instrumentale sur NetLander. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : CNES IPGP).

 

Labrot © 1997-2017. Dernière mise à jour : 11 janvier 2001. Des commentaires, corrections ou remarques ? N'hésitez pas, écrivez moi!

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