Phoenix (mission Scout)

La mission Phoenix a l'insigne honneur d'être la première mission Scout, une nouvelle classe de sondes martiennes peu coûteuses et complémentaires des missions majeures qui composent l'ambitieux programme d'exploration de Mars. Elle a été préférée en août 2003 à trois autres candidats, une mission proposant de renvoyer sur Terre des échantillons de l'atmosphère martienne et des particules de poussière (SCIM), un planeur équipé d'instruments géophysiques (ARES) et un orbiteur doté de deux spectromètres sophistiqués pour étudier l'atmosphère martienne dans l'infrarouge histoire d'y déceler des traces d'une activité volcanique ou microbienne (MARVEL).

Phoenix devra réaliser une étude in-situ des composés volatils martiens (en particulier l'eau) et des molécules organiques au niveau des hautes latitudes de l'hémisphère nord, là ou la sonde Mars Odyssey a découvert en 2002 de vastes concentrations de glace dans le sous-sol. Comme le mythique Phoenix qui renaît de ses cendres, cette mission ramènera à la vie certains des instruments appartenant à deux sondes martiennes défuntes. La plateforme utilisée pour Phoenix n'est effectivement rien d'autre que celle de l'atterrisseur Mars Surveyor 2001, cloué au sol après le terrible échec de Mars Polar Lander en décembre 1999. Deux instruments appartenant à cette mission avortée seront également embarqués. Phoenix reprendra aussi trois instruments initialement conçus pour Mars Polar Lander (le bras robotique, les caméras et le TEGA). Contrairement à cette dernière, elle se dirigera non pas vers le pôle sud, mais vers les plaines arctiques martiennes.

Si la réutilisation de composants a permis de diminuer sensiblement les coûts de la mission (ce qui explique vraisemblablement que Phoenix ait été préféré aux trois autres candidats en lice), cette approche n'est pas sans risque. Ainsi, une fois posée à la surface de Mars, Phoenix sera totalement immobile, alors que les rovers américains Spirit et Opportunity ont démontré avec brio l'importance cruciale de la mobilité pour mener à bien des investigations scientifiques. Depuis l'éclatant succès de cette mission, la NASA a d'ailleurs clairement affiché sa volonté de mobilité sur Mars, et Phoenix sera vraisemblablement la dernière mission statique.

La mission Phoenix a coûté à la NASA la somme rondelle de 420 millions de dollars (alors que les missions de la classe Scout ne devaient initialement pas dépasser la barrière des 325 millions de dollars). Et encore, il n'est pas certain que la facture globale inclue l'argent dépensé pour développer l'atterrisseur Mars Surveyor 2001, avant son annulation, ainsi que les frais que Lockheed Martin n'a pas du manquer d'adresser à la NASA pour le stockage de la sonde. Le budget total de développement du projet Mars Surveyor 2001 (soit l'atterrisseur et l'orbiteur Mars Odyssey) était de 283 millions de dollars, lancement non compris.

Les objectifs scientifiques

Les deux principaux objectifs scientifiques de Phoenix sont d'étudier l'eau sous toutes ses formes et de déterminer le potentiel d'habitabilité du sol du pôle nord martien, c'est à dire son aptitude à conserver des formes de vie fossiles, ou à héberger des microorganismes dormants, qui n'attendraient qu'un dégel pour se réveiller (par exemple lors du basculement des pôles de la planète vers le soleil). Il ne s'agit donc pas de rechercher directement des formes de vie martiennes (et Phoenix n'est donc pas une mission d'exobiologie, malgré ses deux microscopes et son spectromètre de masse), mais d'identifier des environnements qui ont pu être favorables à son développement passé ou présent.

La sonde

Comme indiqué en introduction, Phoenix partage de nombreuses similitudes avec l'atterrisseur Mars Surveyor 2001. Après l'annulation de cette mission suite à la perte désastreuse de l'atterrisseur Mars Polar Lander, la structure de Mars Surveyor 2001 a été remisée dans un hangar à environnement contrôlé. Les vulnérabilités et les défauts de conception de cette plateforme, pointées par la commission d'enquête qui s'est penchée sur la perte de sa sœur jumelle Mars Polar Lander en 2000, ont été corrigées, et différentes améliorations ont été dans le même temps apportées, que ce soit pour sécuriser au maximum l'atterrissage (par l'ajout d'un système de télécommunication pour l'EDL) ou pour adapter la plateforme à sa nouvelle mission. Contrairement à la légèreté avec laquelle Mars Polar Lander a été traitée (et qui a conduit directement à sa perte), Phoenix a également subi une batterie impressionnante de tests en tout genre.

Structure

D'un point de vue structure, la sonde Phoenix se compose d'un étage de croisière de 2,64 mètres de diamètre et de 1,74 mètres de hauteur, équipé de panneaux solaires. Son rôle est d'assurer le transport vers Mars d'une capsule contenant l'atterrisseur soigneusement replié sur lui-même à la manière des origamis, et composé de deux parties qui jouent respectivement le rôle d'une boite et de son couvercle : un bouclier arrière de 110 kilogrammes et un bouclier thermique de 62 kilogrammes.

L'atterrisseur proprement dit se présente sous la forme d'une plateforme de 1,5 mètres de diamètre, pensant 410 kilogrammes et reposant sur trois pieds. La charge utile conséquente qu'il supporte pèse 59 kilogrammes et comprend une caméra de descente, un bras robotique, une caméra stéréoscopique, un laboratoire de chimie en milieu liquide (également équipé d'un microscope optique et d'un microscope à force atomique), un calorimètre couplé à un spectromètre de masse et enfin une station météorologique dotée d'un LIDAR.

L'ordinateur de bord est architecturé autour d'un processeur RAD 6000, une puce similaire à celle utilisée dans d'anciens modèles de PowerPC, et qui est en particulier durcie pour résister aux conditions extrêmes de l'espace (l'un des plus grands dangers venant des radiations, qui peuvent provoquer des crashs désastreux lorsqu'elles frappent les registres mémoires des microprocesseurs). Phoenix embarque 74 mégaoctets de mémoire vive, ainsi que de la mémoire flash (similaire à celles de nombreux baladeurs MP3) pour stocker les données.

Un mini DVD, contenant les noms d'environ 250 000 personnes appartenant à plus de 70 nationalités (collectés via Internet par la Planetary Society), ainsi qu'une sélection d'ouvrages, d'arts et de musiques, est présent sur l'atterrisseur. Y figurent en particulier les écrits de Percival Lowell, d'H.G. Wells, d'Isaac Asimov et de Ray Bradbury. Fabriqué en verre pour des questions de durabilité, il est destiné à de futurs explorateurs des plaines arctiques de Mars, qui sont par l'intermédiaire d'un petit message laissé sur le DVD invités à l'emporter avec eux.

Propulsion

La plus grande partie de l'énergie nécessaire à Phoenix pour rejoindre Mars lui a été conféré le 4 août 2007 par le lanceur Delta II 7925, ce qui n'empêche pas la sonde d'embarquer un certain nombre de petites fusées fonctionnant à l'hydrazine. Ces dernières, qui sont au nombre de vingt, sont uniquement montées sur l'atterrisseur.

Les 4 premières servent à ajuster l'orientation de la sonde dans l'espace, et ont ainsi servi au moment ou la sonde a pivoté pour placer son bouclier thermique dans la bonne position lors de l'entrée dans l'atmosphère martienne. Leur poussée est de 4,4  newtons. Un jeu de 4 autres fusées a permis aux navigateurs de la NASA de modifier la trajectoire de Phoenix quand cela s'est révélé nécessaire (en particulier lors des TCM, ces manœuvres de correction de trajectoires qui doivent être effectuées à intervalles réguliers au cours de la croisière vers Mars). Plus puissantes, elles expulsent leurs gaz avec une force de 15,6 newtons. Des orifices percés au niveau du bouclier arrière permettent à ces 8 rétrofusées d'être en communication avec l'espace interplanétaire.

Enfin, douze autres rétrofusées, développant chacune une poussée de 293 newtons, portent la lourde responsabilité de freiner Phoenix durant les dernières trente secondes de sa descente vers la planète rouge (pour atteindre une vitesse constante de 2,4 mètres par seconde) et de la stabiliser dans les trois axes de l'espace. Ils permettent également à la sonde d'effectuer une manoeuvre d'évitement du parachute (la loi de Murphy étant ce qu'elle est, la probabilité que ce dernier retombe par malchance sur l'atterrisseur n'est effectivement pas nulle !)

Contrairement aux rovers Spirit et Opportunity, ou à la sonde Mars Pathfinder, Phoenix n'utilise pas d'airbags pour atterrir. La sonde s'appuie en effet sur des rétrofusées pour se poser en douceur sur les terres boréales, tout comme les atterrisseurs Viking I et Viking II en 1976. Cependant, par rapport au Viking, les moteurs sont pulsés, et c'est par d'incessants cycles d'arrêt/démarrage qu'ils réalisent leur travail. Historiquement parlant, les trois dernières sondes parvenues saines et sauves à la surface de Mars ont toutes utilisées des airbags, et le dernier atterrisseur ayant mis en oeuvre des rétrofusées a échoué avec fracas. Comparées aux airbags, les rétrofusées offrent cependant un avantage de taille, car leur masse est assez faible, ce qui permet donc de maximiser la charge utile.

Au niveau des améliorations que les ingénieurs devaient apporter à la plateforme de Mars Surveyor 2001, il était prévu d'incorporer un dispositif de guidage pendant l'entrée atmosphérique, ainsi qu'un système d'évitement d'obstacles (rochers, cratère, pente trop accentuée, etc) durant la phase finale de la descente. Finalement, Phoenix entrera de manière balistique dans l'atmosphère martienne (sans système de guidage donc), et son radar de descente servira seulement à mesurer la distance et la vitesse par rapport à la surface, et non à déterminer le relief pour détecter d'éventuels dangers.

Alimentation énergétique

A l'instar des dernières sondes martiennes, l'alimentation en énergie de l'atterrisseur Phoenix repose sur deux panneaux solaires qui se déploient à la manière d'un éventail, et qui forment comme des ailes de chaque côté de la plateforme de l'atterrisseur. Chaque aile est formée par un décagone circulaire d'une surface de 2,1 m2. Les panneaux solaires sont connectés à une paire de batteries lithium-ion. Durant le voyage vers Mars, ils sont repliés à l'intérieur de la capsule formée par le bouclier arrière et le bouclier thermique, et ne peuvent donc remplir leur rôle. C'est pourquoi l'étage de croisière est également équipé de deux panneaux solaires rectangulaires.

Communications

Durant son voyage vers Mars, Phoenix est resté en contact avec la Terre grâce à une antenne à gain moyen fonctionnant en bande X (8 à 12 GHz), offrant un débit d'environ 2000 bits par seconde. En cas de dysfonctionnement, deux antennes à faible gain, l'une servant pour les transmissions, et l'autre pour la réception, pouvaient prendre le relais. Les amplificateurs et les transpondeurs étaient également redondés.

Au moment de l'atterrissage, les signaux radios ont été transmis en ultra haute fréquence (UHF, 300 MHz à 1000 MHz) par plusieurs antennes à différents orbiteurs martiens (Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter et Mars Express), dont la trajectoire avait été ajustée de telle manière à ce qu'ils croisent tous dans la portion du ciel martien ou la sonde Phoenix a fait son entrée. La compatibilité de Phoenix avec plusieurs orbiteurs américains et européens était assuré par l'utilisation d'un protocole international baptisé Proximity-1 et développé par le CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems).

Fixée sur le bouclier arrière, la première antenne a fonctionné pendant 6 minutes, entre le moment ou l'étage de croisière a été largué et sa propre éjection. Une autre antenne hélicoïdale UHF, montée sur la plateforme de l'atterrisseur, a alors pris le relais pour la phase finale de la descente, et doit servir, une fois la sonde au sol, pour la transmission quotidienne de données télémétriques et scientifiques aux satellites de télécommunication martiens (avec une troisième antenne UHF elle aussi fixée sur la plateforme de l'atterrisseur). Au sol, Phoenix peut envoyer des données à différents débits (8000, 32000 et 128 000 bits par seconde), les deux premiers étant également ceux utilisés lors de la réception de jeu d'instructions venant de la Terre et relayés par les orbiteurs.

Navigation

Pour se repérer dans l'immensité de l'espace interplanétaire, Phoenix était équipé d'un capteur stellaire, une sorte de sextant moderne capable, en comparant la position des étoiles observables dans son champ de vision avec des catalogues informatiques, de déterminer ses coordonnées. Ce capteur était épaulé dans sa tâche par deux capteurs solaires, notre étoile constituant effectivement le phare naturel le plus visible du ciel.

D'autres équipements sophistiqués ont aidé Phoenix à garder une position correcte, en particulier durant son plongeon vers la surface martienne. Ainsi, la sonde embarquait des stations de navigation inertielle, composée d'accéléromètres permettant de mesurer les changements de vitesse dans n'importe quelle direction, et des gyroscopes lasers renseignant sur le moindre changement d'orientation. Au cours des deux dernières minutes de l'atterrisseur, un radar a également été utilisé pour mesurer la distance restant à parcourir avant de toucher le sol, et déterminer les vitesses horizontales et verticales.

Régulation thermique

Que ce soit au cours de sa longue croisière vers Mars ou une fois solidement campée sur ses trois pieds dans le vaste désert glacé de Vastitas Borealis, Phoenix a du affronter des écarts de température extrêmes, qui sont difficilement palpables pour les êtres humains que nous sommes.

Pour protéger ses délicats systèmes électroniques du froid (sur le site d'atterrissage, la température oscille entre -80°C la nuit et -30°C le jour), Phoenix compte sur des radiateurs, des sondes de température et des protections thermiques. La structure métallique en nid d'abeille de la plateforme offre une bonne isolation, et la surface de l'atterrisseur est recouverte d'une couche à basse conductivité thermique. Le système de protection thermique de la sonde a également eu fort à faire avec la chaleur, que ce soit durant le voyage vers Mars (ou il était important d'éviter l'effet "rotissoir" du soleil) ou durant la rentrée atmosphérique (le bouclier thermique étant alors exposé à des températures allant jusqu'à 2600°C).

La mission

Phoenix a pris son envol le 4 août 2007 à bord d'une fusée Delta 2925 (la nouvelle appellation du lanceur Delta II 7925). Après un voyage de 10 mois dans l'espace interplanétaire et 679 millions de kilomètres de parcours, la sonde est arrivée à destination le 26 mai 2008 et a immédiatement entamé son atterrissage. L'objectif de ce dernier est d'amener la vitesse de Phoenix, qui aborde Mars à la vitesse décoiffante de 5,7 km/s, à une valeur de 2,4 mètres par seconde juste avant le contact avec la surface martienne.

L'atterrissage

L'atterrissage a commencé lorsque la sonde est entrée en contact avec la fine atmosphère martienne à environ 125 kilomètres d'altitude. Protégée par son bouclier thermique, Phoenix a d'abord mis à profit la friction avec l'air martien pour décélérer. Un parachute a alors pris le relais, tandis que le bouclier thermique, devenu inutile, est largué. Un peu après, Phoenix a activé son un radar altimétrique pour piloter la phase finale de sa descente. A un kilomètre de la surface, la sonde s'est séparée de son parachute, entamant une chute libre heureusement stoppée par l'allumage de 12 rétrofusées.

Une fois le contact établi avec la surface, des contacteurs placés sous les patins des pieds ont envoyé un signal à l'ordinateur de bord, qui s'est chargée de couper les rétrofusées. Après avoir attendu une vingtaine de minutes que la poussière soulevée par son arrivée tonitruante retombe, Phoenix a déployé ses panneaux solaires, son mât météorologique et sa caméra panoramique. Pour ceux qui désirent en savoir plus, un compte rendu détaillé de l'atterrissage est disponible ici.

Le site d'atterrissage

La sonde Phoenix s'est donc posée avec succès le 26 mai 2008 à 01h53 (heure française), à proximité de la calotte polaire boréale, par un bel après-midi martien. L'arrivée de Phoenix sur Mars marque le début de l'exploration des régions polaires nord de la planète rouge, jusqu'ici inexplorées. Le site d'atterrissage est situé dans la vaste plaine de Vastitas Borealis, par 68,2° de latitude nord et 234,4° de longitude est. Les relevés altimétriques de Mars Global Surveyor indiquent qu'il s'agit d'une large vallée peu profonde de 50 kilomètres de largueur et de 250 mètres de profondeur.

Durant la sélection du site d'atterrissage, des images visibles et infrarouges des orbiteurs Mars Global Surveyor et Mars Odyssey ont permis de mesurer au sol l'inclinaison des pentes et l'abondance des roches, autant d'obstacles pouvant menacer l'atterrissage. Sur la base de ces clichés, un site prioritaire (baptisé "région B") avait été sélectionné. Cependant, grâce à la caméra très haute résolution de Mars Reconnaissance Orbiter, arrivée entre temps autour de Mars, il fut établi que cette région présentait un nombre bien trop important de blocs rocheux, suffisamment volumineux (35 à 45 centimètres) pour mettre en péril Phoenix. Un autre site plus prometteur, et baptisé "région D", fut alors localisé. Mars Reconnaissance Orbiter en a fourni des images tellement détaillées qu'il a d'ailleurs été possible de deviner avec précision à quoi la surface allait ressembler.

Le site d'atterrissage de Phoenix est incroyablement pauvre en relief, et seul le rempart d'un cratère de 10 kilomètres de diamètre surnommé Heimdall se dessine à l'horizon. Le sol présente une texture polygonale typique des régions froides des hautes latitudes de Mars, et que l'on retrouve également sur Terre au niveau du permafrost. Cette texture est probablement due à un grand nombre de cycle de gel/dégel. Il s'agit d'une surface très propice à l'atterrissage d'un plateforme stationnaire comme celle de Phoenix. Dans ce contexte, le bras robotique de l'atterrisseur jouera un rôle crucial pour fouiller le sol et y découvrir le Saint Graal des planétologues martiens, de la glace.

Le site d'atterrissage offre effectivement un intérêt majeur pour l'étude de l'eau, puisqu'en 2002, la sonde Mars Odyssey, par l'intermédiaire d'un spectromètre à neutrons, a décelé l'existence de vastes quantités de glace d'eau enfouie dans le sol à faible profondeur au niveau des régions polaires. Ainsi, comme cela fut le cas pour Opportunity, le site d'atterrissage a été choisi sur des bases spectrométriques et non morphologiques. Au vu des résultats scientifiques engrangés par le rover américain, il y a fort à parier que la mission de Phoenix connaisse un succès retentissant d'un point scientifique, qui fera écho à l'exploit technique de son atterrissage au pôle nord.

La date de l'atterrissage de Phoenix a été choisie pour coïncider avec la fin du printemps, une période ou la calotte polaire nord se retire et ou les rayons du soleil (qui ne se couchera plus pendant des mois) commence à réchauffer une surface gelée par un très long hiver. L'atterrisseur devrait fonctionner pendant au moins 90 sols (soit trois mois martiens) durant l'été boréal. Il est possible que la mission puisse être prolongée de quelques mois, selon l'épaisseur du dépôt de poussière sur les panneaux solaires, et de l'inclinaison de la sonde.

Cependant, et contrairement aux deux rovers Spirit et Opportunity, qui bien qu'alimentés eux aussi par des panneaux solaires arpentent les déserts martiens depuis maintenant plus de deux ans, Phoenix n'aura pas une grande longévité. Dès que notre étoile déclinera dans le ciel et que les ombres de la nuit polaire s'avanceront vers elle, la sonde verra sa température chuter. Sans les rayons du soleil pour alimenter ses batteries, elle ne pourra pas résister longtemps au froid martien et périra gelée, tapie sous un mortel dépôt de glace carbonique.

Les instruments

Pour mener à bien sa mission, Phoenix dispose d'une batterie d'instruments, soit hérités des mission Mars Polar Lander (caméra SSI, four TEGA et caméra de descente MARDI) et Mars Surveyor 2001 (bras robotique, laboratoire MECA), soit développés spécifiquement pour la mission (comme la station météorologique canadienne).

Bras robotique / caméra

Phoenix sera doté d'un bras robotique sophistiqué fabriqué en aluminium et en titane. Tel un bulldozer miniature, il sera capable de creuser une tranchée de 50 centimètres de profondeur environ et de collecter des échantillons pour d'autres instruments comme le four TEGA et le laboratoire de chimie MECA. D'une longueur de 2,35 mètres, ce bras offrira quatre degrés de liberté, et pourra exercer une force de 80 Newtons. Une petite pelle est fixée à son extrémité. Les opérations d'excavation auront lieu à l'ombre, de manière à limiter la volatilisation de la glace soudainement exposée à l'air libre.

Une caméra miniature est montée à l'extrémité du bras robotique. Equipée d'un moteur autofocus et d'une multitude de petites diodes de couleurs, elle pourra prendre des images nettes sous un éclairage rouge, bleu ou vert. La lentille est protégée de la poussière pour un cache transparent amovible. Cette caméra réalisera des images des échantillons collectées par la pelle, du sol, et des parois des tranchées creusées par le bras. Elle pourra aussi être déplacée à proximité d'éventuelles roches pour examiner leur texture. Sa résolution est de 23 microns par pixel. L'extrémité du bras comporte enfin quatre capteurs dédiés à des mesures de conductivité électrique et thermique du sol martien, et faisant partie de l'expérimentation MECA. Ces derniers pourront aussi mesurer l'humidité de l'air ambiant quand le bras ne sera pas au contact du sol martien.

Seule partie de l'atterrisseur destinée à rentrer en contact direct avec la glace du sol martien, le bras robotique a fait l'objet d'une attention tout particulière en terme d'assainissement. D'une manière générale, toutes les sondes martiennes destinées à se poser sur Mars subissent une stérilisation draconienne, de manière à minimiser le risque d'une contamination du site d'atterrissage par des micro-organismes terrestres qui auraient survécu au voyage Terre - Mars. Les normes de protection planétaire définissent ainsi les seuils à ne pas dépasser. La sonde ne doit pas transporter plus de 300 000 spores bactériennes dans son ensemble, et le nombre de spores par m2 doit être inférieur à 300 (ces valeurs sont totalement arbitraires, et sont d'ailleurs vivement critiquées par de nombreux microbiologistes, pour des raisons qui ne seront pas exposées ici, étant donné qu'elles dépasseraient le cadre de ce dossier). En ce qui concerne le bras robotique, des normes encore plus strictes ont été retenues. Effectivement, la NASA s'est fixée pour consigne de ne pas dépasser une spore par m2. Pour arriver à ce niveau de propreté, le bras a été enfermé avant stérilisation dans une gaine de Tedlar (un plastique composé de fluorure de polyvinyle). Cette bio-protection est supportée par un réseau de tubes d'aluminium dotés de ressorts, qui lui donnent sa forme, et qui ont permis sa rétractation, une fois la sonde à la surface de Mars.

Caméra de descente MARDI (Mars Descent Imager)

L'instrument MARDI est une caméra dont l'objectif était d'acquérir des images grand angle et en couleurs du site d'atterrissage lors de la descente vers la surface martienne, un peu comme la caméra DIMES des rovers Spirit et Opportunity. MARDI devait rentrer en fonctionnement juste après l'éjection du bouclier thermique, et prendre 20 images de la région située en dessous d'elle. Grâce à ces données, les scientifiques auraient été à même de caractériser géologiquement le site d'atterrissage et de construire un modèle numérique en 3D de l'endroit ou Phoenix travaillera. Hélas, des tests ont permis aux ingénieurs de mettre le doigt sur un problème critique dans la manière dont les données de la caméra MARDI sont transmises lors de la phase critique de l'atterrissage. Les risques liés à l'activation de la caméra ayant été jugés inacceptables, cette dernière n'a donc pas été utilisée. Cela aurait pu constituer un sérieux revers pour la caractérisation du contexte géologique du site d'atterrissage, si Mars Reconnaissance Orbiter et sa fameuse caméra HiRISE n'avait pas été là.

SSI (Stereo Imager)

L'instrument SSI constitue les yeux de l'atterrisseur. Héritée des sondes Mars Pathfinder et Mars Polar Lander, mais améliorée grâce à des capteurs haute résolution similaires à ceux des rovers américains Spirit et Opportunity, la caméra SSI est capable de prendre des images stéréoscopiques en couleurs du site d'atterrissage, pratiquement à hauteur d'homme (2 mètres au-dessus de la surface martienne).

Des roues à filtres permettent à la caméra d'observer dans 12 longueurs d'ondes différentes (du violet au proche infrarouge) le sol, le ciel et le soleil. Les panoramas réalisés permettront de caractériser la géologie du site d'atterrissage, d'identifier les minéraux des roches et du sol, et de réaliser des cartes permettant de définir les déplacements du bras robotique. En se tournant vers le ciel, la caméra pourra étudier les nuages ainsi que la poussière en suspension dans l'atmosphère martienne (en jaugeant l'atténuation de la lumière du soleil par les particules de poussière).

MET (Meteorological Station)

Le package météorologique, fourni par le Canada, comprend des capteurs de pression et de température, ainsi qu'un LIDAR. Ce sera la première fois qu'une station météorologique renverra des données depuis la région polaire nord de Mars.

La majorité des capteurs de température sont montés sur un mât de 1,2 mètres de hauteur. Les capteurs de pression sont quant à eux logés à l'intérieur de l'atterrisseur. Le package météorologique recueillera également les données provenant des thermocouples rivetés sur le bras robotique.

Le LIDAR se trouvera sur la plateforme de l'atterrisseur et servira à étudier les aérosols atmosphériques ainsi que les nuages de glace. Son fonctionnement est un peu similaire à celui du radar. Il émet des pulses d'énergie et détecte leur écho lorsqu'elles sont réfléchies par différents obstacles. Contrairement au radar, le LIDAR n'émet cependant pas d'ondes radio, mais des pulses de lumière laser (2500 pulses de lumière dans le vert chaque seconde) grâce à une diode. Les particules réfléchies sont recueillies par un télescope, aligné avec une grande précision sur le pinceau laser. Leur retour est chronométré de manière à localiser et à caractériser les nuages de glace et la poussière dans l'atmosphère martienne sur une courte distance (2 à 3 kilomètres). L'objectif principal de cet instrument est de déterminer la quantité de poussière en suspension dans l'atmosphère au dessus du site d'atterrissage.

TEGA (Thermal and Evolved Gas Analyzer)

Cet instrument original, qui combine un ensemble de 8 petits fours à usage unique, un calorimètre et un spectromètre de masse, aura pour tâche d'analyser les échantillons de sol et de glace collectés par le bras robotique. Le TEGA de Phoenix est similaire à l'appareil du même nom embarqué sur la sonde Mars Polar Lander, et se livrera aux premières recherches de composés organiques depuis les sondes Viking en 1976.

Le bras robotique commencera par creuser une petite tranchée de quelques centimètres dans le sol. Un échantillon sera prélevé, photographié par la caméra du bras robotique puis déposé dans l'un des 8 fours du TEGA. Une diode LED servira à confirmer qu'un échantillon de sol a bien été délivré. L'échantillon sera alors porté à très haute température (environ 1000°C), et ce de manière progressive. Bien qu'alimenté uniquement par des panneaux solaires, le TEGA est tout à fait capable atteindre une telle température, la masse de l'échantillon à chauffer étant très faible (100 milligrammes environ).

Lors du chauffage progressif, le sol va libérer de l'eau et du CO2, ainsi que diverses substances volatiles emprisonnées dans différents minéraux. L'identification des substances volatiles s'effectuera grâce à un spectromètre de masse très sensible, qui pourra mesurer précisément la masse (et donc la nature), ainsi que la concentration des substances libérées au cours du chauffage. S'il sera principalement utilisé pour identifier des molécules, le spectromètre de masse pourra également réaliser des mesures isotopiques. Une fois utilisé, un four ne pourra plus servir. Le TEGA devrait aussi jouer le rôle d'un calorimètre, étant donné que l'énergie à fournir pour porter les fours à une certaine température sera contrôlée. En tout et pour tout, le TEGA pourra donc analyser 8 échantillons de sol, prélevés à la surface ou à différentes profondeurs.

Une céramique extrêmement pure (macor), et contenant aussi peu de carbone que possible, servira de blanc durant les analyses. Ce témoin sera analysé par le TEGA sur Mars, et permettra de quantifier la présence de traces de carbone terrestre. Les valeurs observées avec ce blanc permettront donc de savoir avec une bonne certitude si le carbone détecté lors des mesures est d'origine martienne, ou s'il résulte d'une contamination accidentelle des surfaces de la sonde par des composés carbonés terrestres.

MECA (Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer)

L'expérience MECA est un véritable petit laboratoire destiné à analyser de nombreuses propriétés du sol martien. Elle s'organise autour de trois instruments :

Un petit laboratoire humide, qui devra mesurer de nombreuses propriétés du sol, comme le pH, le potentiel d'oxydoréduction, la salinité (magnésium, calcium, potassium, chlore, brome et sulfates), l'acidité ou l'alcalinité, ou encore les concentrations en oxygène et dioxyde de carbone. Ce laboratoire est semblable aux kits portables que les agronomes emmènent avec eux sur le terrain pour caractériser des échantillons de sol quand ils se déplacent dans des fermes.

Les mesures auront lieu dans quatre petits béchers à usage unique. Elles s'étaleront sur 2 jours, et s'organisent autour d'une chorégraphie passablement compliquée. Avant l'étude proprement dite du sol martien, une petite quantité de glace pure (amenée depuis la Terre) est déposée dans un bécher ou elle se met à fondre, avant d'être mélangée à une pastille réactive contenant des quantités connues d'électrolytes. 26 capteurs, en grande majorité des électrodes situées derrière des membranes ou des gels perméables à certaines substances, fourniront alors des données de calibration.

Une fois cette phase préliminaire terminée, un échantillon de sol collecté par le bras robotique (soit en surface, soit à une profondeur donnée) sera déversé dans le bécher, dont le contenu est alors agité. Les électrodes mesureront ensuite la présence et la concentration des différents solutés présents dans le sol martien.  Dans un deuxième temps, une pastille d'acide nitrobenzoique sera ajoutée pour augmenter l'acidité du mélange, dans le but de permettre la libération de composés uniquement solubles en milieu acide, ainsi que la détection d'éventuels carbonates. L'expérience se terminera avec l'incorporation de trois autres pastilles contenant des concentrations plus ou moins fortes de chlorure de baryum et utilisées pour mesurer la teneur en sulfate, un ion qui a pris une grande importance depuis les découvertes du robot Opportunity. La concentration en sulfates ne pouvant être déterminée directement, MECA aura effectivement recours à une réaction bien connue des étudiants en chimie analytique. Celle-ci consiste à mélanger les sulfates (éventuellement présents) à du baryum pour forcer leur précipitation sous la forme de sulfate de baryum insoluble. La teneur en sulfate est obtenue en soustrayant à la quantité totale de baryum ajouté à la solution le résidu de baryum libre n'ayant pas réagi.

Le second instrument est un ensemble de deux microscopes, qui devront étudier les particules de sol à différents grossissements. Le premier d'entre eux, un microscope optique comme il en existe dans toutes les salles de TP, possèdera une résolution variant de 1 mm à 2 microns par pixel. Des diodes électroluminescentes colorées (rouge, verte, bleue et ultraviolet) éclaireront les échantillons, ce qui permettra de faire ressortir les différents constituants du sol (particules minérales, glace d'eau, etc).

Le second microscope est autrement plus impressionnant que le premier. Il porte le nom quelque peu grandiose de microscope à force atomique. Contrairement aux microscopes optiques ou électroniques, un microscope à force atomique n'étudie pas la matière en la voyant, mais plutôt en la touchant. Le principe d'un microscope à force atomique est assez simple : l'appareil utilise un capteur extrêmement petit (que les spécialistes appellent des pointes) pour sentir la surface d'un échantillon et en construire une représentation en 3D très précise. Baptisé FAMARS, ce microscope à force atomique permettra d'étudier les particules de sol et de poussière à l'échelle sub-micrométrique, en atteignant une résolution de 100 nm/pixel, soit 20 fois celle du microscope optique (dans les laboratoires terrestres, les microscopes à force atomique peuvent atteindre dans certaines conditions des résolutions encore bien plus élevées). FAMARS comporte 8 pointes microscopiques attachées à des leviers très flexibles. Si un capteur est contaminé ou endommagé durant la mesure, un autre prendra sa place. Lorsque les 8 capteurs auront été utilisés, le microscope à force atomique ne pourra plus fonctionner. FAMARS sera le premier microscope à force atomique jamais envoyé sur Mars. Si le sujet vous intéresse, vous pourrez consulter avec intérêt la thèse de doctorat de l'auteur (Microscopie à force atomique de microfossiles précambriens), en particulier les pages 35 à 65 (qui décrivent le fonctionnement d'un microscope à force atomique) et les pages 238 à 240 (qui s'intéressent aux applications spatiales de la microscopie à force atomique).

Avant d'être examinés par les microscopes optiques et à force atomique, les échantillons collectés par le bras robotique seront déposés sur un porte échantillon d'un genre particulier : une roue mobile portant 69 substrats différents, depuis des aimants jusqu'à des plaques recouvertes de silicone visqueux, en passant par des plaquettes pour déterminer la dureté, des fragments de tissus et de métaux, etc. Ce système permettra de générer différentes interactions entre les particules de sol et les substrats, et d'en apprendre beaucoup sur les propriétés physiques de ces dernières.

Le dernier instrument du package MECA est une sonde (TECP) permettant de mesurer la conductivité thermique et électrique du sol. Celle-ci est fixée sur la pelle du bras robotique et est destinée à être enfoncée dans la tranchée creusée par le bras robotique.

Pour terminer, il faut noter que l'expérimentation MECA était auparavant embarquée sur la sonde Mars Surveyor 2001. L'un des objectifs de cette mission avortée était de préparer la venue de l'homme sur Mars, en déterminant les dangers potentiels de la surface martienne. Le package MECA devait notamment servir à caractériser la poussière, identifier les interactions indésirables avec les hommes et les systèmes électroniques (adhésion, abrasion, corrosion, toxicité, obstruction, radiations, courts-circuits) et permettre le design des systèmes d'habitations et des combinaisons spatiales pour les sorties extra-véhiculaires (EVA). Il n'est par certain que ces objectifs, décrits en détails ici, soient encore d'actualité, et ce malgré le projet d'exploration spatiale du président George Bush visant un retour sur la Lune et une exploration humaine de la planète rouge. Le seul objectif lié aux missions habitées semble être l'étude de la glace, qui pourrait alors être extraite et utilisée après sa fonte par l'équipage.

Pour en savoir plus :

Go ! La nuit du Phoenix (récit de l'atterrissage).
Go ! Liste de liens concernant Phoenix (page de bibliographie).

Phoenix a été propulsé vers le pôle nord de Mars par un lanceur Delta 2925 (anciennement Delta II 7925). Ce type de fusée a déjà lancé de nombreuses sondes martiennes, comme les orbiteurs Mars Global Surveyor et Mars Odyssey, l'atterrisseur Pathfinder (et son petit robot Sojourner), ou encore les rovers Spirit et Opportunity (Crédit photo : NASA/JPL).

Lancement de Phoenix

Départ de nuit pour la sonde Phoenix, qui s'est envolée vers Mars le 4 août 2007 à 11h26 (heure française) depuis le centre spatial de Cap Canaveral en Floride. La fenêtre de tir s'était ouverte un jour plus tôt, mais de fortes pluies sur le site de lancement avaient retardé le remplissage des réservoirs, et donc le départ de la fusée Delta II (Crédit photo : NASA/JPL).

Lancement de la sonde Phoenix

Contrairement aux satellites Mars Odyssey et Mars Reconnaissance Orbiter, ainsi qu'aux deux rovers Spirit et Opportunity, la sonde Phoenix a emprunté une trajectoire de type II pour rejoindre Mars. Celle-ci se caractérise par le fait que la sonde parcourt plus de 180° autour du soleil depuis son point de départ (la Terre) jusqu'à son point d'arrivée (Mars).

Phoenix : manoeuvres de correction de trajectoire

Durant les 679 millions de kilomètres que Phoenix a parcouru, la sonde a ajusté de manière très précise sa trajectoire (grâce à quatre petites rétrofusées fonctionnant à l'hydrazine). Les deux premières manoeuvres de correction de trajectoire (TCM) ont eu lieu respectivement les 10 août et 24 octobre 2007. Avant ces deux manoeuvres, Phoenix aurait raté Mars de 950 000 kilomètres, un mal nécessaire pour éviter que le troisième étage du lanceur, qui suit la sonde sur sa lancée, ne vienne percuter la planète rouge. La seconde TCM fut retardée d'une semaine suite à un dysfonctionnement provoqué par l'impact de rayons cosmiques sur une puce mémoire de l'ordinateur de bord. Le 10 avril 2008, une troisième modification de trajectoire fut effectuée pour pointer Phoenix vers son site d'atterrissage, dans la région polaire arctique de Mars (Crédit photo : NASA/JPL).

Structure de la sonde Phoenix

Structure de la sonde Phoenix : de haut en bas : l'étage de croisière et ses panneaux solaires, le bouclier arrière (supportant le parachute), l'atterrisseur proprement dit et le bouclier thermique (Crédit photo : NASA/JPL).

La mission Phoenix reprend certains instruments de la sonde Mars Polar Lander, qui s'est écrasée au pôle sud le 3 décembre 1999. D'un poids de 410 kg, elle emporte 59 kg d'instruments scientifiques (crédit photo : NASA/JPL).

L'atterrisseur Phoenix réutilise la plateforme de la sonde Mars Surveyor 2001. Celle-ci, presque entièrement terminée, fut abandonnée en 2000 après l'échec de Mars Polar Lander. Une pétition avait alors été mise en place à l'époque (www.savethemarslander.org) pour tenter de sauver l'atterrisseur (crédit photo : NASA/JPL).

Schéma technique de l'atterrisseur Phoenix. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).

Anatomie du bras robotique de Phoenix

Le bras robotique de Phoenix est extrêmement sophistiqué. Il comporte une caméra autofocus, 4 capteurs pour étudier la conductivité thermique et électrique du sol (TECP), ainsi qu'un godet. Ce dernier est équipé de deux couteaux et d'une râpe destinée à entamer la glace dure pour en faire des copeaux. Outre son rôle fondamental pour le prélèvement d'échantillon, le bras robotique possède également suffisamment de force pour soulever au besoin l'atterrisseur et le repositionner (crédit photo : NASA).

Principe de fonctionnement d'un microscope à force atomique

Schéma de fonctionnement d’un microscope à force atomique. Le coeur de l’instrument est constitué d’une pointe très fine (quelques microns de hauteur) fixée à l’extrémité d’un levier flexible. Ce dernier est lui-même relié à un ensemble de céramiques piézo-électriques (un matériau capable de se déformer suivant l'intensité du courant électrique qui le traverse). Des différences de potentiels appliquées sur les céramiques X et Y du tube piézoélectrique permettent à la pointe d’effectuer un balayage extrêmement précis de la surface de l’échantillon. De la même manière, des différences de potentiels appliquées sur la céramique Z contrôlent le déplacement vertical de la pointe. L’interaction de la pointe avec la surface d’un échantillon provoque une déflexion du levier, qui est généralement mesurée par un faisceau laser. Dans le cas de FAMARS, c'est cependant une autre technique qui est utilisée (Crédit photo : droits réservés).

Phoenix devrait retourner de nombreuses informations sur le sol martien et la glace qu'il renferme, l'habitabilité de la surface, ainsi que les climats, que ce soit le climat polaire actuel ou l'histoire des climats passés enregistrés dans le sol. L'objectif principal de Phoenix sera d'étudier les composés volatils martiens (eau et dioxyde de carbone) présents dans le sol, et d'identifier des régions compatibles avec l'existence de formes de vie passées ou présentes. L'atterrisseur pourra également confirmer localement les résultats de Mars Odyssey, qui a détecté de spectaculaires concentrations de glace dans la partie la plus superficielle du sol des régions polaires (plus de 50 % en masse d'eau), grâce à un spectromètre à neutrons (crédit photo : MOLA Team).

L'un des objectifs majeurs de la sonde Phoenix est de déterminer l'habitabilité des hautes latitudes de l'hémisphère nord. Le sol gelé de cette région pourrait effectivement permettre la survie de microorganismes à l'état dormant pendant des millions et des millions d'années, ou avoir permis une parfaite conservation de cellules mortes ou de molécules organiques. Phoenix étudiera le sol martien collecté par son bras robotique à l'aide d'un four et d'un laboratoire de chimie. Phoenix pourra ainsi déterminer si le sol est trop acide, basique, salé ou oxydant pour que des formes de vie puissent y survivre ou s'y développer (Crédit photo : Corby Waste/NASA).

Carte géomorphologique du site d'atterrissage de Phoenix

Carte géomorphologique du site d'atterrissage de Phoenix. La sonde s'est posée au centre du cercle rouge, presque en dehors de l'ellipse d'atterrissage, ce qui arrive rarement. La région incluse dans l'ellipse est très pauvre en fragments rocheux, et d'une platitude extrême, ce qui en fait un terrain de choix pour l'atterrissage d'une sonde stationnaire (crédit photo : NASA).

Phoenix : Site d'atterrissage de Phoenix

Le site d'atterrissage de Phoenix dans Vastitas Borealis photographiée par la caméra SSI. Les polygones indiquent clairement que le sol est (ou a été) un permafrost, mais il est malgré tout bien difficile de croire que sous cette surface brûlée se cache de la glace d'eau ! Le relief est certes exactement celui auquel les géologues pouvaient s'attendre d'après les vues orbitales, mais sa monotonie a cependant quand même quelque chose de décevant (Crédit photo : NASA).

 

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