Mars Pathfinder

Les instruments scientifiques

Il y a trois instruments principaux sur Pathfinder. La caméra IMP (Imager for MESUR Pathfinder) permet de prendre des clichés stéréoscopiques. L'APXS permet de connaître la composition des rochers et du sol, alors que l'ASI/MET (Atmospheric Structure Instrument/Meteorology Package) permet d'obtenir des données météorologiques telles que la pression, la température, la vitesse et la direction des vents.

La caméra IMP

Mis à part l'électronique de bord, la station au sol possède d'abord une caméra télescopique (6,22 kg), capable de balayer un angle de 180° en azimut et un angle de +83° à -72° en élévation. Cette caméra est un système stéréo couleur. C'est un véritable bijou de technologie. Elle se compose de trois sections : la tête de la caméra, un mat extensible et deux cartes électroniques.

La tête de la caméra

La tête comporte le système optique, la roue à filtres, le dispositif CCD, différents mécanismes et des moteurs. La caméra comporte deux fenêtres distantes de 15 cm. Les deux images obtenues sont renvoyées par un miroir coudé sur une grille CCD de 256 x 256 éléments, après un passage à travers un filtre maintenu par une roue (les deux éléments CCD sont séparés par une zone inactive de 12 pixels). Ce dispositif permet d'obtenir deux images de la même scène, qu'il est alors possible d'observer en relief. Le dispositif CDD de la station Carl Sagan est comparable au sous système correspondant du spectroradiomètre du module de descente de la sonde Huygens. On compte une douzaine de filtres pour chaque canal optique (soit 24 en tout), qui se répartissent en 4 paires de filtres atmosphériques, deux paires de filtres stéréo, 11 filtres géologiques individuels qui peuvent être combinés avec les filtres stéréo et une lentille spéciale pour les prises de vue rapprochées. Le domaine spectral s'étend de 440 nm à 1000 nm. Le calibrage est réalisé par l'intermédiaire de mires de calibrage pour la couleur (rouge, brun, orange, vert et bleu) et le contraste et la luminosité (noir, blanc et gris).

Le mât extensible

Il permet à la caméra d'être à 1 mètre du sol au maximum.

Les cartes électroniques

Les deux cartes (la première pour le dispositif CDD, la deuxième pour l'alimentation en énergie et le contrôle des moteurs) sont insérées dans la Warm Electronics Box de l'atterrisseur.

Les expérimentations de la caméra IMP

La caméra IMP permet d'obtenir des renseignements sur un grand nombre de sujets différents. Elle fournit tout d'abord différents types de clichés comme des panoramas, des vues stéréoscopiques ou multispectrales (8 bandes spectrales au maximum). Certaines images ont été très importantes pour la descente de Sojourner, puisqu'elles ont révélé que la rampe avant n'était pas praticable. Les images panoramiques sur 360° renvoyés par la station Pathfinder (disponibles sur le web au format QuickTime VR) sont d'une grande beauté.

Les expériences de magnétisme concernent aussi la caméra IMP. Des plaques magnétiques (7 en tout) sont fixées sur l'atterrisseur. Sur ces plaques, le champ magnétique augmente d'intensité de la gauche vers la droite. La poussière martienne adhère aux plaques en formant des cercles rouges plus ou moins foncés suivant la quantité de poussières déposée. Ces plaques sont photographiées par la caméra IMP (à l'aide de la lentille grossissante de la roue à filtres). Grâce à cette expérience, les scientifiques détermineront les propriétés magnétiques de la poussière martienne et déduiront sa composition.

L'opacité de l'atmosphère est mesurée périodiquement en photographiant le disque solaire à travers deux filtres bandes étroites. La quantité de poussières présente dans l'atmosphère est déterminée en observant le satellite Phobos la nuit. Quant à la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère, elle est mesurée en photographiant le Soleil avec des filtres dans la bande d'absorption de la vapeur d'eau et le spectre adjacent. Enfin, la caméra prend des images des petites manches à air pour obtenir des informations sur la direction et la vitesse du vent.

A chaque fin de journée, la caméra IMP a pris une image du site qui a servi à planifier les prochains déplacements du robot. Les clichés ont également permis de suivre et de localiser le petit robot à la surface de Mars.

L'APXS

Cet instrument allemand (Institut Max Planck) est dérivé des instruments qui étaient à bord des sondes Russes Vega et Phobos. Il est identique à l'instrument emporté par les petites stations au sol de la mission Mars 96. L'APXS (0,56 kg) est situé à l'intérieur de l'astromobile ou la température peut être contrôlée. Son senseur externe est fixé sur un mécanisme qui permet son déploiement. L'APXS peut donc effectuer (via son senseur) des mesures à des hauteurs différentes du sol et avec différentes orientations. Des détecteurs de contact permettent de savoir si le senseur est correctement positionné sur l'échantillon.

Le processus analytique de l'APXS est basé sur l'interaction de particules alpha avec la matière. Dans un premier temps, le matériel est exposé à une source radioactive (curium 244) qui émet des particules alpha avec une énergie bien déterminée. Ensuite, l'instrument enregistre en retour le spectre énergétique des particules alpha, des protons et des rayons X qui sont émis par l'échantillon. Grâce à cette méthode, on peut déterminer et identifier les quantités de pratiquement tout les éléments chimiques (sauf l'hydrogène) de différents matériaux (rocher, sol). Voici le détails des trois modes de fonctionnement de l'appareil :

La première interaction concerne le choc élastique des particules alpha avec les noyaux atomiques. Lorsque les particules alpha frappent les noyaux, elles sont renvoyées dans toutes les directions. Les particules qui repartent avec un angle proche de 180° sont capturées par un détecteur au silicium, leur énergie maximale étant alors caractéristique de l'élément frappé. Le mode alpha est surtout utilisé pour détecter des éléments légers comme le carbone, l'oxygène et l'azote. Pour les éléments plus lourds, le spectromètre ne peut déterminer que des groupes d'éléments. Pour être utilisable dans le mode alpha, le détecteur a besoin d'une température inférieure à -25°C.

La deuxième interaction fait intervenir des réactions nucléaires avec certains éléments légers comme le sodium, le magnésium, l'aluminium, le silicium et le soufre. Un second détecteur au silicium monté derrière le premier permet de capturer les protons émis au cours de ces réactions nucléaires. Le détecteur a besoin d'une température inférieure à -25°C pour fonctionner dans ce mode.

Enfin, on peut observer avec des éléments lourds (à partir du sodium) une émission de rayons X sous le bombardement de particules alpha. Les particules vident dans un premier temps certaines couches électroniques internes (c'est à dire proche du noyau) comme les couches K et L par exemple (pour ceux qui n'ont pas oublié leur cours de chimie !). Ces couches se remplissent ensuite avec des électrons provenant des couches externes (périphériques). Il y a alors émission de rayons X caractéristiques. Le détecteur a besoin d'une température inférieure à -35°C pour fonctionner dans ce mode.

On le voit, les analyses nécessitent des températures plutôt basses. L'APXS était muni d'un refroidisseur à effet Peltier, mais pour des raisons d'économie d'énergie, il n'a pas été mis en œuvre. Les analyses ont en fait été effectuées pendant la nuit, pour profiter des températures glaciales qui règnent alors. En pleine nuit, la température atteignait alors -85°c, un froid bien suffisant pour le spectromètre (alors que le jour, le capteur de température situé au niveau du capteur de l'APXS indiquait +5°C). Le capteur de l'appareil devait rester plaquer pendant 10 heures contre le sol ou une roche pour mener à bien une analyse. Sojourner a transmis à la Terre des images de tous les échantillons qui ont été analysés par l'APXS.

Le capteur de l'APXS de Pathfinder permettait d'analyser une surface circulaire de 50 mm de diamètre, pour une profondeur de pénétration très faible de quelques microns seulement. Ainsi, l'analyse d'une roche couverte d'une fine couche de poussière prenait en compte à la fois la poussière et la roche, ce qui a posé un sérieux problème.

L'ASI/MET

L'ASI/MET (2,41 kg) a collecté des données durant l'entrée et la descente de l'atterrisseur dans l'atmosphère martienne. Suivant le taux de descente de l'atterrisseur, le taux d'échantillonnage des capteurs (accéléromètre, pression et température) a été ajusté. Ces données permettront de connaître le profil de l'atmosphère de Mars.

Après l'atterrissage, l'ASI/MET continue bien sur de mesurer la température et la pression de manière journalière. La encore, une grande flexibilité dans la réalisation des mesures permettra de suivre les variations de température, de pression, de vitesse et de direction des vents sur des périodes très courtes, pendant une journée ou encore au niveau de la saison (si la durée de vie de l'atterrisseur le permet).

L'ASI/MET consiste en une série de capteurs de pression et de température, montés sur l'atterrisseur à différents endroits. On trouve aussi des capteurs de direction et de vitesse des vents, ainsi qu'une carte électronique.

La température est mesurée par des thermocouples montés sur un mat météorologique de 1 mètre de haut qui est déployée après l'atterrissage (celui ci se trouve sur l'un des pétales de l'atterrisseur, loin des systèmes électroniques de Pathfinder qui pourraient fausser les mesures). La position de l'un de ces thermocouples a été choisie pour pouvoir collecter la température pendant la phase de descente. Trois autres thermocouples permettent d'obtenir la température à 25, 50 et 100 cm au dessus du sol après l'atterrissage, avec une précision de 0,01°C.

La pression est mesurée par un capteur similaire à ceux qui se trouvaient sur les sondes Viking.

Les capteurs de direction et de vitesse des vents sont montées à six endroits différents et sont répartis uniformément au sommet du mat. Ils sont composés d'une résistance qui forme une sorte de grillage. La vitesse de l'air et la direction à 1 mètre au dessus du sol sont dérivées de l'énergie consommée pour maintenir la température des résistances à 40°C. La précision de cet instrument est de 0,04°C.

On trouve également un dispositif est composé de trois petites manches à air montées sur un mat à différentes hauteurs (33,1 cm, 62,4 cm, 91,6 cm) pour déterminer la vitesse et la direction des vents. La caméra IMP prend des clichés de ces manches à air de manière régulière. L'orientation des manches à air est mesurée sur ces images pour connaître la vitesse du vent suivant la hauteur.

Les atterrisseurs des missions Viking n'avait qu'un seul capteur sensible au vent et on ne pouvait pas alors obtenir un profil vertical montrant l'évolution de la vitesse du vent avec la hauteur. C'est maintenant possible avec Pathfinder. Ces nouvelles données vont permettre de développer et de modifier les théories qui expliquent comment la poussière et le sable sont soulevés dans l'atmosphère martienne par les vents. Parce que l'érosion et le dépôt de particules par les vents ont été deux processus très importants sur Mars, ces données intéressent aussi bien les géologues que les météorologues.

IMP

La tête de la caméra IMP. On note les deux fenêtres séparées de 15 cm (Crédit photo : NASA/JPL).

IMP : vue du mat

La caméra IMP monté sur son mât (Crédit photo : NASA/JPL).

Plaques magnétiques

Cette image montre les plaques magnétiques fixées sur la station Carl Sagan, à différentes dates. On voit bien que la quantité de poussières fixée augmente avec le temps, de Sol 10 à Sol 66 (Crédit photo : NASA/JPL).

Le mat météo

Les trois manches à air visibles sur ce mat permettent de connaître la vitesse et la direction du vent à différentes hauteurs (Crédit photo : NASA/JPL).

APXS

L'APXS de Sojourner. Cet instrument d'analyse, qui permet de connaître la composition élémentaire des échantillons qui lui sont soumis, a largement bénéficié de la mobilité de Sojourner (Crédit photo : NASA/JPL).

APXS déployé

L'APXS déployé. Les analyses avaient lieu de nuit, car l'instrument ne pouvait pas fonctionner pour des températures situées en dessous de -25 ° à -35 °C selon les modes de fonctionnement (Crédit photo : NASA/JPL).

ASI/MET

Le mat météorologique de Pathfinder. On remarque les capteurs de vitesse et de direction des vents et les capteurs servant à mesurer la température pendant la descente (en haut) et après l'atterrissage (en bas) (Crédit photo : NASA/JPL).

ASI/MET : vue rapprochée

Vue rapprochée du sommet du mat météorologique.  Les capteurs sensibles aux vents sont disposés de manière régulière (Crédit photo : NASA/JPL).

 

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