Le retour d'échantillons martiens

Pour étudier Mars, tous les moyens sont bons. Depuis le début de la conquête spatiale, l'homme a déjà placé des sondes en orbite autour de la planète rouge et envoyé des engins atterrir à sa surface. En juillet 1997, le petit robot Sojourner s'est déplacé pour la première fois sur le sol martien. En décembre 1999, deux pénétrateurs devaient aussi réaliser une grande première en s'enfonçant dans le sous-sol martien. Enfin, dans la prochaine décennie, d'autres engins, comme des ballons, des planeurs ou des avions rendront une petite visite amicale à la planète rouge.

Malgré cette débauche de moyens robotiques, les données collectées ne remplaceront jamais celles d'un laboratoire terrestre. Pour s'en convaincre, il suffit de comparer les résultats obtenus par le petit spectromètre de Sojourner (APXS) et les examens pratiqués sur la fameuse météorite martienne ALH84001, qui est la caillasse la mieux connue de toute la planète. Bien sûr, la comparaison est un peu exagérée, le spectromètre a quand même recueilli des résultats intéressants et la mission Pathfinder était une mission d'ingénieur avant d'être une mission scientifique. Il n'empêche que cela donne une petite idée de la différence qui existe entre des analyses effectuées in situ et celles que l'on peut entreprendre dans un laboratoire terrestre.

Outre cette différence, certaines opérations sont de plus impossibles à automatiser. Comment apprendre par exemple à une machine à reconnaître des micro-fossiles dans une lame mince de roche ? Seul un œil humain suffisamment exercé peut mener à bien des recherches de ce type. Enfin, certains équipements sont encore à l'heure actuelle impossibles à miniaturiser et à spatialiser. Nous ne sommes pas prêts d'envoyer sur Mars un microscope électronique à transmission ou une sonde ionique, non seulement à cause de la masse des appareils en question, mais aussi à cause du traitement bien souvent laborieux qu'il faut appliquer aux échantillons avant de se livrer à la moindre analyse.

Récemment, une équipe de microbiologistes a réussi à isoler une bactérie vivante emprisonnée depuis 250 millions d'années dans un cristal de sel (bacillus permians). Pour éviter une contamination par des germes indésirables qui auraient pu fausser l'expérience, les microbiologistes ont été obligés de prendre des mesures draconiennes. Sur Mars, les dépôts de sel constituent une cible prioritaire pour la recherche de microorganismes fossiles ou vivants. Mais il suffit de lire l'article de Nature narrant l'extraction de bacillus permians de sa prison de sel pour comprendre qu'un robot, aussi perfectionné soit-il, aura bien du mal à égaler un laborantin travaillant sur sa paillasse. Pour percer les secrets de la planète rouge, il faudra impérativement que des fragments de Mars se retrouvent un jour ou l'autre dans la main de l'homme.

Pour être honnête, nous n'avons nul besoin de lancer la moindre sonde vers Mars pour atteindre cet objectif. Dans les tiroirs de ses musées et laboratoires, l'homme conserve précieusement de superbes spécimens de météorites martiennes ...

Mais ces pierres là, aussi fascinantes soient-elles, ne suffisent pas. D'abord parce que leur origine martienne n'est pas certaine à 100 %. Ensuite parce que l'on ne sait pas de quelle région elles proviennent. Lorsqu'un géologue prélève une roche sur Terre, il doit noter le maximum d'information sur la collecte elle-même et sur le terrain ou elle a lieu. Ce n'est que replacée dans son contexte que la roche pourra livrer son histoire. Notons aussi que les météorites martiennes ne sont guère variées du point de vue géologique. Pour l'instant, les géologues analysent ce que la planète Mars a bien voulu envoyer sur Terre, mais ces roches tombées du ciel ne sont pas forcément les plus intéressantes, ni celles que les géologues auraient prélevé s'ils avaient eu le luxe de pouvoir faire un choix.

Pour étudier sérieusement Mars, il va falloir se déplacer à sa surface,  pour collecter des échantillons de sols, de roches et même d'atmosphère, avant de les ramener sur Terre pour leur faire subir des analyses poussées. En attendant que l'homme lui-même puisse exécuter ce travail sur place, nous allons le confier à une série de robots ultra perfectionnés. Prélever via des sondes automatiques des échantillons pour les ramener sur Terre, tel est l'objectif grandiose de la mission de retour d'échantillons martiens (Mars Sample Return ou MSR), qui a déjà derrière elle une histoire longue, douloureuse et mouvementé.

L'ancien scénario

En 1997, sur une suggestion de Jacques Blamont, conseiller scientifique au CNES, le ministre de la Recherche Claude Allègre propose à la NASA de coopérer avec la France pour ramener sur Terre des échantillons de la planète Mars. L'idée d'une collaboration franco-américaine fait son chemin et un plan d'action est vite établi. En échange d'une part du précieux butin, la France offre une fusée Ariane 5 et un orbiteur.

La mission de retour d'échantillons est intégrée au programme Mars Surveyor de la NASA, qui consiste à envoyer à chaque opportunité de lancement (tous les 26 mois en moyenne) des sondes martiennes. Dans le planning initial, la mission de retour d'échantillons était un objectif à long terme, mais un évènement allait précipiter sa réalisation.

En août 1996, la NASA stupéfie le monde entier en annonçant la possible découverte de fossiles de microorganismes martiens dans une météorite dénichée en Antarctique, ALH84001. Au vu des implications majeures de cette découverte, Daniel Goldin, l'administrateur de la NASA, décide d'accélérer l'exploration martienne. La mission de retour d'échantillons, seul moyen véritable de confirmer l'existence d'une vie martienne passée ou présente, est soudain mise sur le devant de la scène. Programmée pour 2003 et 2005, elle doit désormais conclure en apothéose le programme Mars Surveyor.

En 2003, une fusée Delta III américaine devait lancer un atterrisseur muni d'un véhicule de remontée (MAV) et un robot mobile. La tache principale du robot était de collecter des échantillons de roches et de sols grâce à un bras mobile et un dispositif de forage. Une fois collectés, les échantillons étaient transférés dans un petit container placé à bord de la fusée de remontée. Un système de forage monté sur l'atterrisseur pouvait également recueillir des échantillons à 1 ou 2 mètres de profondeur.

Une fois les opérations de collecte terminées, la fusée de remontée à deux étages décollait, direction l'orbite basse. A 600 kilomètres d'altitude, elle abandonnait le container et son précieux chargement, qu'une autre sonde devait venir chercher deux années plus tard.

En 2005, une fusée Ariane 5 aurait dû décoller de la base de Kourou en Guyane avec à son bord un nouveau couple atterrisseur/robot (pour recommencer une collecte) et un orbiteur français de récupération des containers. Ce vol aurait également été l'occasion de lancer les 4 petites stations de la mission NetLander. Après s'être placé en orbite autour de Mars par aérocapture en 2006, l'orbiteur devait se lancer à la chasse aux containers. Une fois les petites sphères localisées, l'orbiteur devait les récupérer avant de les transférer dans une capsule de retour. Il repartait ensuite en direction de la Terre. En 2008, au voisinage de la Terre, l'orbiteur achevait finalement sa mission en larguant la capsule et en se plaçant ensuite sur une orbite solaire.

Le retour d'échantillons remis en question

Ce beau scénario sera remis en question peu après la perte de Mars Climate Orbiter et Mars Polar Lander fin 1999. Fortement secouée par ces deux échecs dus à des erreurs humaines, la NASA restructure son programme martien, et la France est naturellement prise dans la tourmente.

Pour beaucoup, la difficulté et la complexité de la mission de retour d'échantillons avaient été sérieusement sous-estimées. Le rendez-vous en orbite entre le container d'échantillons et l'orbiteur français apparaissait surréaliste à certaines personnes, et les ingénieurs commencent à réfléchir à d'autres scénarios, comme un retour direct des échantillons.

Il peut effectivement sembler plus simple de lancer directement vers la Terre le container depuis la surface martienne, sans passer par un hasardeux rendez-vous en orbite martienne. Mais cette solution implique de poser sur Mars un véritable pas de tir et une fusée dotée du carburant nécessaire à un voyage Mars - Terre. Un rapide calcul montre que le retour direct n'est pas envisageable, car la masse à déposer sur Mars excède alors de beaucoup les capacités de nos lanceurs.

Un moyen de s'en sortir consistait à fabriquer sur place le carburant nécessaire au voyage retour (à partir de l'atmosphère martienne), plutôt que de le transporter à l'aller. La fabrication de carburant à partir des ressources martiennes aurait permis de lancer un atterrisseur avec des réservoirs vides, ce qui réduisait la masse au lancement et diminuait fortement les coûts de la mission. Dans ce scénario, une usine chimique, alimentée par des panneaux solaires, devait pomper le gaz carbonique qui constitue la majeure partie de l'atmosphère martienne pour fabriquer du méthane et de l'oxygène (le principe de la réaction est exposé ici). Le méthane et l'oxygène étaient ensuite brûlés par le moteur du véhicule de remontée. Le réacteur devait fonctionner dix heures par jours à la surface de Mars pour produire quotidiennement 4,7 kg d'oxygène, sachant qu'il en fallait 970 kg pour le retour sur Terre.

Cette astucieuse technique de fabrication de carburant in situ aurait du être validée avec l'atterrisseur de la mission Mars Surveyor 2001, mais cette mission a finalement été annulée. Même s'il apparaît comme une impasse, le retour direct séduit par sa simplicité. En rendant inutile l'orbiteur du CNES, il contente certains hauts responsables américains ennuyés du rôle essentiel joué par la France dans la mission de retour d'échantillons. De nombreuses rumeurs insistantes commencent alors à circuler sur le rejet possible d'une participation française.

Dans le même temps, les ingénieurs semblent redécouvrir la terrible audace du scénario initial. De nombreuses étapes critiques, qui, si elles échouent, compromettent totalement la mission, n'ont encore jamais été testées. L'aérocapture, le rendez-vous en orbite martienne, le véhicule de remontée, tous ces aspects sont nouveaux. Les ingénieurs sont obligés d'avouer qu'ils ont pêché par excès d'optimiste, et qu'il est temps de redescendre sur Terre.

Le débat technique n'est pas le seul à agiter la NASA. L'agence spatiale américaine doit aussi régler les problèmes qui ont ruiné les missions Mars Climate Orbiter et Mars Polar Lander, et elle se voit contrainte d'embaucher du personnel supplémentaire et de réaliser des tests au sol draconiens pour traquer la moindre défaillance technique. Le prix de la mission de retour d'échantillons fait alors un formidable bond en avant. Le coût de la mission de retour d'échantillons se situe aujourd'hui entre 1 et 2 milliards de dollars, et la France apporterait 2,7 milliards de francs (soit un peu moins de 350 millions de dollars).

En octobre 2000, la NASA dévoile finalement son nouveau programme martien. La France est confirmée dans son rôle de partenaire et l'accord franco-américain est formalisé dans une lettre d'intention signée le 24 octobre 2000 par le ministre français de la Recherche Roger-Gérard Schwartzenberg. On y apprend que la mission de retour d'échantillons est toujours d'actualité, et qu'elle implique toujours un orbiteur français. Mais elle a été fortement décalée dans le temps, puisque la première tentative n'est plus prévue avant 2013 au mieux. La véritable mission n'aura lieu qu'après une série de validations technologiques.

Malgré des rumeurs qui laissaient craindre le pire pour la collaboration franco-américaine, la mission de retour d’échantillons est toujours le fer de lance du programme d’exploration martien de la NASA, et l'élément central de la contribution française à l’exploration de la planète rouge. Nous allons maintenant décrire la mission proprement dite, sachant qu'avec une échéance aussi longue, il sera difficile de rentrer dans les détails.

Déroulement de la mission

Comme le nouveau programme de la NASA est très ouvert, aucune planification réelle n'existe pour la mission de retour d'échantillons. En fonction des résultats des missions précédentes (en particulier celle de Mars Science Laboratory), et du budget qui sera alloué à la NASA, la mission de retour d'échantillons pourrait partir en 2013, une deuxième tentative pouvant avoir lieu en 2020.

Le déroulement de la mission est connu dans ses grandes lignes. L'année du départ, une fusée américaine lancera un atterrisseur capable d'effectuer un atterrissage sécurisé de haute précision. L'atterrissage débutera par une traversée de l'atmosphère sous bouclier thermique, et se poursuivra par une descente sous parachute. A proximité de la surface, l'atterrisseur allumera ses rétrofusées et activera un système d'évitement de dangers.

Le choix du site d'atterrissage sera essentiel au succès de la mission. Tout va dépendre des recherches que les scientifiques vont vouloir effectuer. Les exobiologistes, dont l'objectif est de rechercher les traces ténues d'une éventuelle vie martienne, vont se focaliser sur des roches sédimentaires, comme des calcaires. On peut espérer trouver de telles roches au fond d'anciens lacs martiens maintenant asséchés (dépôts lacustres, évaporites) ou au niveau des parois des formidables canyons de Valles Marineris. Les sources hydrothermales seront également des bons candidats, car la chaleur dégagée par l'activité hydrothermale a peut être permis à une poche d'eau de se maintenir à l'état liquide. Les géochimistes, quant à eux, préfèreront les roches volcaniques en provenance du manteau ou des laves émises par des volcans, qui ne sont pas vraiment idéales pour rechercher des fossiles. Des prélèvements de glace des calottes polaires seraient également précieux pour étudier l'histoire climatique de Mars et l'évolution de son atmosphère. Il n'y a guère que le prélèvement de l'atmosphère qui mette tout le monde d'accord. L'homogénéité atmosphérique à l'échelle planétaire ne pose aucune contrainte et tous les sites de collecte conviendront. Les sites d'atterrissage seront certainement choisis dans la ceinture équatoriale, histoire d'assurer aux panneaux solaires des sondes et des robots un minimum d'ensoleillement.

Une fois au sol, l'atterrisseur livrera passage à un énorme robot mobile qui arpentera la surface de Mars pour recueillir des échantillons de roches ou de sols. Son travail de collecte terminé, le robot viendra déposer sa moisson dans un container placé sur une fusée de remontée à poudre. Dans un autre scénario, la fusée n'est pas fixée sur l'atterrisseur, mais directement sur le robot mobile, qui la transportera donc sur son dos. Comme le robot sera amené à parcourir des centaines de kilomètres à la surface de Mars, ce système lui évitera de devoir revenir sur ses pas pour déposer les échantillons sur l'atterrisseur. D'un autre côté, les scientifiques veulent que le robot puisse continuer l'exploration de la surface après le lancement, et il ne devra donc pas être détruit lorsque la fusée s'envolera vers l'orbite martienne.

Le container

Le container d'échantillons comprendra deux enveloppes en titane, et possédera 91 compartiments en téflon (7 rangées de 13) pour les carottes de roches martiennes. 13 petites cupules seront également prévues pour les prélèvements de sols. La masse totale des échantillons qu'il sera possible de placer dans le container avoisinera les 500 g. Une fois chargé, le container sera hermétiquement scellé par la mise à feu de charges pyrotechniques.

L'étape suivante sera la mise en place du container à 600 kilomètres de la surface martienne, grâce au véhicule de remontée (MAV). L'orbiteur du CNES, qui s'est entre temps inséré en orbite martienne par aérocapture, viendra le chercher grâce au dispositif américain OSCAR de rendez-vous et de capture. Le container sera transféré dans une capsule de rentrée terrestre américaine (EEV) avant le retour sur Terre.

L'orbiteur du CNES

L'orbiteur français se compose principalement d'un module à deux étages. Le premier étage, l'étage de croisière, aura pour tache d'effectuer les manœuvres de correction de trajectoire et de fournir l'énergie grâce à ses panneaux solaires. Le deuxième étage n'est autre que l'orbiteur proprement dit. Celui-ci intégrera des composants américains comme la capsule de rentrée atmosphérique pour le retour sur Terre (EEV) et le système de localisation, de rendez vous et de capture des containers (OSCAR).

L'aérocapture

Si la technique d'aérocapture a été retenue pour la mission de retour d'échantillons, c'est qu'elle permet un gain de masse considérable, jusqu'à 30 % de poids en moins. L'orbiteur du CNES n'est pas autre chose qu'un baril de carburant volant. C'est une obligation, au vu des fonctions qu'il doit remplir. La récupération du container d'échantillon va nécessiter quantité de manœuvres propulsives et il lui faut ensuite retourner sur Terre. S'il fallait en plus que la sonde emporte avec elle la masse de carburant nécessaire à sa mise en orbite, son poids serait trop important et aucune fusée n'aurait la puissance suffisante pour effectuer le lancement. Voyons maintenant en quoi consiste l'aérocapture.

Imaginons une sonde dont la destination finale soit Mars. Après un décollage réussi, elle est lancée à grande vitesse vers sa cible. Notre sonde suit alors une trajectoire qui va l'amener à frôler Mars. Si rien n'est fait lors de son arrivée, elle va simplement continuer sur sa lancée et s'éloigner de la planète rouge (elle peut aussi s'écraser sur la planète, si elle a été injectée sur une trajectoire de collision). Pour réaliser une mise en orbite, il faut ralentir suffisamment la sonde pour que la gravité martienne puisse la capturer. Une fois l'engin en orbite autour de la planète, il faut ensuite modifier de manière sensible les paramètres de son orbite de capture pour obtenir l'orbite finale désirée par les scientifiques.

Il existe actuellement trois techniques pour placer une sonde en orbite autour d'une planète. La première méthode s'appuie exclusivement sur la propulsion chimique, que ce soit pour la phase de capture ou la modification des paramètres orbitaux. C'est une méthode très lourde, peu élégante et coûteuse (en carburant et en système de contrôle, ce qui augmente la masse au lancement).

La méthode de l'aérofreinage, mise en œuvre avec un succès relatif par Mars Global Surveyor, permet de faire des économies sensibles de carburant. L'insertion en orbite est encore réalisée par un moteur chimique. A l'issue de sa capture par la planète Mars, l'orbite suivie par la sonde est fortement elliptique et ne correspond pas à l'orbite finale souhaitée par les scientifiques. C'est là qu'intervient l'aérofreinage. Cette technique consiste à utiliser les hautes couches de l'atmosphère martienne (jusqu'à une altitude de 100 km) pour circulariser l'orbite et diminuer sa période. L'aérofreinage peut durer plusieurs mois (et parfois plus en cas de problème, comme l'a démontré bien malgré elle Mars Global Surveyor), mais c'est une méthode économique et assez douce.

Enfin, on peut recourir à l'aérocapture. En un seul passage piloté dans l'atmosphère, la sonde subit un freinage aérodynamique violent qui lui permet non seulement de s'insérer en orbite, mais également d'atteindre directement l'orbite finale. L'aérocapture est une technique connue depuis assez longtemps, mais sa complexité est telle qu'aucune agence spatiale n'a encore jamais osé l'utiliser pour placer une sonde en orbite autour d'un corps planétaire. La NASA l'avait sélectionné pour la mission Mars Surveyor 2001, mais elle a préféré revenir à la technique d'aérofreinage.

Pour effectuer une aérocapture, on pourrait lancer depuis la Terre la sonde sur une trajectoire très précise qui traverserait l'atmosphère martienne à son extrémité. Mais un tel tir balistique n'aurait aucune chance d'aboutir à une capture réussie. La densité de l'atmosphère est bien trop variable pour permettre la réussite de ce genre de manœuvre. Seul la prise en compte à tout instant des variations atmosphériques et l'ajustement en temps réel de la trajectoire de la sonde ont une chance d'aboutir à une mise en orbite réussie. Toute la procédure doit donc être automatique et lors de l'aérocapture, aucune intervention humaine n'est possible, la sonde étant entièrement sous le contrôle de ses calculateurs de bord.

A son arrivée sur Mars, la sonde plonge en profondeur dans l'atmosphère en encaissant une forte décélération, par frottements de l'air sur son bouclier thermique. Pour obtenir une décélération suffisante, la surface du bouclier thermique doit être la plus importante possible, et celui-ci est donc très lourd. Malgré tout, sa masse reste toujours bien inférieure à la masse de carburant qu'il aurait fallu brûler pour réaliser une mise en orbite "chimique".

A tout instant, les calculateurs de bord vont intégrer en temps réel la décélération subie pour la comparer à la décélération souhaitée pour réaliser l'insertion en orbite. Suivant le résultat, l'orbiteur va effectuer des manœuvres de roulis pour augmenter ou diminuer son altitude, et donc la valeur de la décélération, pour qu'elle corresponde à la valeur prédite. Contrairement à la technique d'aérofreinage ou la sonde ne descend pas en dessous de 100 km dans les couches de l'atmosphère martienne, l'orbiteur MSR pourra être amené à flirter avec des altitudes de 40 à 50 km !

A l'issue de la manœuvre d'aérocapture, l'orbiteur se retrouve sur une orbite légèrement elliptique avec un apoapse à 1500 kilomètres d'altitude. Sur cette orbite, la sonde va successivement larguer son bouclier thermique devenu inutile, et effectuer une manœuvre propulsive à l'apoapse pour relever l'altitude du périapse à environ 200 km. Si cette manœuvre n'a pas lieu, la sonde traversera de nouveau l'atmosphère au prochain passage au périapse, et son aventure s'arrêtera là. Le temps de déployer ses panneaux solaires et l'orbiteur est alors à poste, prêt pour la suite de sa mission.

L'aérocapture va être un véritable défi pour les ingénieurs du CNES. Ceux-ci vont s'appuyer sur les résultats obtenus lors de la mission ARD (Atmospheric Reentry Demonstrator) pour faire de cette technique audacieuse une réalité et inscrire la France dans le grand livre de la conquête spatiale.

Localisation et récupération des containers

Malgré une mise en orbite des plus éprouvantes, les choses sérieuses ne font que commencer pour l'orbiteur. Celui-ci va devoir effectuer le rendez-vous avec les containers, et cette étape ne sera pas non plus un jeu d'enfant. Le véhicule de remontée n'est en effet pas assez puissant pour placer les échantillons sur une orbite précise, et les ingénieurs ne pourront donc pas déterminer avec exactitude sa position.

Une fois en orbite, le container va émettre tel spoutnik un signal radio qui, capté par les antennes du Deep Space Network, va servir à déterminer les paramètres de son orbite. L'orbiteur sera également à l'écoute. En analysant le signal radio, il pourra déterminer la position du container et l'évolution de sa trajectoire au cours du temps. Les caméras des orbiteurs scientifiques en mission autour de la planète rouge pourront aussi éventuellement traquer visuellement le container.

Toutes ces informations permettront de diriger grossièrement l'orbiteur. Dès que les paramètres orbitaux du container seront connus avec une bonne précision, l'orbiteur va effectuer toute une série de manœuvres propulsives pour s'en approcher au plus prés. Il va d'abord se positionner sur le même plan d'orbite que le container, aligner sa ligne de nœuds et enfin circulariser sa propre orbite. Toutes ses manœuvres seront contrôlées depuis la Terre. Ce n'est que lorsque la distance entre l'orbiteur et sa cible aura atteint cinq kilomètres que la phase automatique de rendez-vous rapprochée et de capture pourra débuter.

Grâce à un faisceau laser qui se réfléchira sur la surface du container, l'orbiteur sera à même de déterminer avec précision la direction, la distance et l'attitude du container. Celui-ci sera finalement avalé par un élément en forme de cône avant d'être transféré dans la capsule de rentrée atmosphérique EEV.

La chasse au container pourrait demander quelques mois, mais elle ne pourra pas durer éternellement, car la date du retour sur Terre est immuable. Il faudra la respecter à tout prix, sinon l'orbiteur n'aura pas suffisamment de propergols pour le voyage de retour.

Une fois la précieuse cargaison récupérée, l'orbiteur va allumer brièvement son moteur à l'apoapse (le point de l'orbite le plus éloigné de Mars) pour se positionner sur une orbite fortement elliptique, d'une période de plusieurs jours. L'allumage final du moteur au périapse (le point de l'orbite le plus proche de Mars) permettra alors l'injection sur la trajectoire de retour Mars - Terre. Après un voyage de plusieurs mois, l'orbiteur débarquera enfin dans la banlieue terrestre, trois années après le début de sa mission.

Retour sur Terre

Lorsque l'orbiteur arrivera à proximité de la Terre, on pourrait penser qu'il n'y a plus qu'à mettre la main sur ces satanés cailloux martiens. Mais les scientifiques auront encore à déterminer si les échantillons peuvent ou non être récupérés ...

Lors de son arrivée dans la banlieue terrestre, l'orbiteur ne se dirigera pas directement vers notre planète. Bien au contraire, sa trajectoire aura été calculée pour éviter la Terre. Si l'on s'aperçoit que le scellement du container est défectueux et que l'ensemble n'est plus étanche, l'orbiteur sera laissé sur sa trajectoire d'évitement et les échantillons termineront leur séjour dans l'espace. On imagine alors facilement le désarroi des scientifiques devant pareille situation. Des milliards de dollars dépensés, des années d'attentes et d'efforts, des promesses immenses de découverte, tout cela pour se retrouver avec des cailloux martiens en orbite autour du Soleil. La nature le fait très bien toute seule avec les impacts d'astéroïdes ! 

Si, situation plus heureuse, aucune fuite n'est à craindre, la décision de rentrée atmosphérique sera prise et l'orbiteur entamera alors une manœuvre pour se placer sur une trajectoire de collision. La capsule de rentrée (EEV) contenant les échantillons se séparera de l'orbiteur et effectuera une rentrée directe non guidée à 11,5 km/s, tandis qu'une manœuvre placera l'orbiteur désormais inutile sur une orbite solaire qui lui servira de cimetière.

La capsule de rentrée atmosphérique sera une boule de 1 mètre de diamètre qui contiendra le container sphérique avec ses échantillons. Afin d'éviter un échec pendant la rentrée atmosphérique et une éventuelle pollution de l'atmosphère terrestre, elle sera extrêmement simplifiée et ne comportera pas de mécanismes qui seraient susceptibles de tomber en panne, comme un système de guidage, un parachute ou des rétrofusées. De manière à protéger son précieux chargement, la capsule sera garnie d'une couche de 30 centimètres d'un matériau déformable (mousse de carbone) dont le rôle sera d'absorber les chocs au moment de l'impact avec la surface terrestre. Elle sera également dotée d'un bouclier thermique conique pour la phase de rentrée atmosphérique et d'un émetteur radio pour faciliter sa localisation. L'atterrissage aura lieu dans une zone désertique de grande dimension (comme le désert de l'Utah). Ce sera un moment historique.

Surgie du ciel, une petite capsule métallique s'écrase au sol, en soulevant un nuage de poussières. Au loin, un vrombissement se fait entendre. Des hélicoptères foncent à toute allure vers le site d'atterrissage, bientôt rejoints par une flopée de véhicules tout terrain. De tous côtés, des engins convergent vers le trésor martien. Des hommes sortent en courant des véhicules et contemplent la capsule de rentrée, dont la surface noircie atteste d'une traversée violente de l'atmosphère terrestre. Ils seront munis de combinaisons intégrales de haute protection, et le tout rappellera sans doute quelques-unes des meilleures scènes du film Alerte.

Quelle que soit la méthode de récupération, la capsule sera récupérée et maniée comme si elle contenait les virus les plus dangereux de la planète. Les échantillons seront immédiatement placés dans un laboratoire mobile de haute sécurité (protection de niveau 4, plus couramment appelé P4) avant d'être transporté en moins de 24 heures dans un laboratoire P4 permanent. Des analyses toxicologiques et microbiologiques sont alors effectuées, puis les échantillons seront distribués dans des laboratoires P4 spécialement préparés aux traitements des échantillons martiens. Il faut noter ici que les échantillons seront traités d'une manière bien différente de celle en vigueur pour la manipulation des organismes les plus "chauds" de la planète (comme le virus Ebola).

Les mesures de sécurité draconiennes qui seront prises avec les échantillons martiens répondront effectivement à deux objectifs : empêcher une contamination de la biosphère terrestre par d'hypothétiques poisons chimiques et/ou biologiques, et protéger en retour les échantillons contre une contamination terrestre (qui rendrait toute analyse impossible et inutile). Cette double protection posera de lourdes contraintes aux premiers scientifiques excités qui auront accès aux échantillons !

Après une période de quarantaine qui pourra durer une année entière, les conditions d'accès aux cailloux martiens se feront plus lâches. Si rien de suspect n'est décelé, une autorité franco-américaine donnera le feu vert pour la distribution des échantillons dans les laboratoires du monde entier. Mais ces laboratoires auront été triés sur le volet. Ils devront respecter des normes drastiques en matière de propreté et posséder le matériel et les compétences adéquates à l'analyse des quelques milligrammes de poussières ou de roches martiennes. Une autre partie des échantillons sera conditionnée puis conservée dans des centres de stockage, cadeau de l'humanité aux générations futures.

En contrepartie de la participation de la France à la mission, les chercheurs français auront accès aux précieux fragments de la planète Mars. Les équipes françaises participeront à la sélection et à l'étude des sites d'atterrissage possibles, ainsi qu'à la gestion scientifique et technique des échantillons rapportés. L'accès aux échantillons martiens s'effectuera dans les mêmes conditions que celles en vigueur pour les chercheurs américains. Certains français feront peut-être même partie de la première équipe qui aura la chance d'étudier les cailloux et de publier les premiers résultats pendant la période de quarantaine. Cela dit, il va de soit que les demandes pour accéder aux cailloux, à la poussière ou à l'atmosphère martienne vont faire rage et que la compétition entre les laboratoires mondiaux capables de réaliser les analyses va être féroce. Il est indispensable que la France se dote de laboratoires d'exceptions (seuls des laboratoires dont la réputation ne fait aucun doute, doté d'appareils d'analyse parmi les plus performants et les plus modernes, pilotés par des chercheurs et des techniciens compétents, pourront prétendre à l'obtention des échantillons martiens). Le personnel devra également être sérieusement préparé. Cette composante sol de la mission de retour d'échantillons ne devra pas être négligée, car tous les efforts consentis pour ramener un peu de la planète Mars sur Terre n'auront servi à rien si les compétences et les moyens d'analyse au sol ne sont pas présents ! Bonne surprise pour les scientifiques, le nouveau budget de la mission de retour d'échantillons comprend désormais le financement des laboratoires de quarantaine, ainsi que celui des instruments d'analyse.

Quel est le vrai risque du retour d'échantillons ? 

L'hypothèse d'une éventuelle contamination de la biosphère terrestre par des microorganismes martiens est soumise à une vive controverse. Certains scientifiques pensent que le risque est inexistant, d'autres estiment au contraire qu'une interaction entre des formes de vies martiennes et terrestres est toujours possible, et qu'il faut se préparer au pire.

Une organisation internationale opposée au retour d'échantillons, l'ICAMSR, a déjà commencé à alerter la population sur les risques encourus par la Terre. Nous discuterons dans un autre dossier des arguments mis en avant par l'ICAMSR, mais cet exemple montre que les opposants au retour d'échantillons sont déjà actifs, et que les agences spatiales vont devoir préparer des négociations avec eux et tenir compte de leurs opinions. La NASA a déjà dégagé un budget pour payer des avocats, en prévision des attaques qui pourraient émaner de l'ICAMSR ou d'autres d'associations.

Pour sécuriser au maximum la récupération, le centre Johnson de la NASA a proposé un deuxième scénario pour récupérer la capsule EEV contenant les échantillons. Cette dernière serait attrapée en orbite par la navette spatiale, équipée pour l'occasion d'un compartiment durci installé dans sa soute. Tout comme une boite noire, le compartiment serait conçu pour résister au pire, c'est à dire à un crash de la navette. La récupération de la capsule par la navette spatiale imposerait à l'orbiteur des manœuvres complexes qui pourraient consommer  une grande quantité de carburant, et certains ont proposé d'équiper l'orbiteur non pas d'un moteur chimique, mais d'un moteur électrique similaire au moteur à ions de la sonde américaine Deep Space 1.

Le problème de la contamination lors de l'arrivée sur Terre des échantillons n'est donc pas pris à la légère par la communauté scientifique, mais ce qui motive surtout les chercheurs, c'est de récupérer des morceaux de Mars qui n'auront pas été souillé par de la matière terrestre. Une telle contamination rendrait effectivement caduque les analyses et tous les efforts déployés pour ramener sur Terre des petits fragments de la planète Mars.

Remerciements :

Un grand merci à Francis Rocard, responsable des programmes d'exploration du système solaire au CNES, et à Philippe Collot, responsable des activités multimédia au CNES, pour les renseignements et les superbes images qu'ils m'ont fourni sur l'ambitieuse mission de retour d'échantillons (notez que les informations de cette page n'engagent en aucun cas le CNES et que je dois être tenu pour seul responsable des erreurs et autres inexactitudes que vous pourriez trouver dans ce document). Je voudrais encore adresser un remerciement supplémentaire à Francis Rocard, qui m'a permis d'assister au Symposium International sur le Programme d'Exploration de Mars et les Missions de Retour d'Echantillons qui s'est tenu à Paris du 2 au 5 février 1999. 4 jours de conférences et de débats, animés par plus de 400 scientifiques venus du monde entier et brûlant d'un même désir : celui de percer les derniers secrets de la planète rouge. Ce genre de colloque pourrait sembler austère et ennuyeux de prime abord, mais si l'on s'intéresse un tant soit peu à Mars, je vous assure que c'est le paradis !

Pour en savoir plus :

Go ! Retour d'échantillons : la peur de la contamination.
Go ! La mission NetLander.
Go ! Le programme martien de la NASA.
Go ! Liste de liens concernant le retour d'échantillons (page de bibliographie).

Ariane 5 au décollage

Septembre 2007 : une fusée Ariane 5 décolle de Kourou, en Guyane, sous l'incroyable poussée de son moteur vulcain et de ses deux accélérateurs à poudre latéraux. Sous sa coiffe, elle emporte deux sondes qui auront la lourde tâche de préparer le retour d'échantillons. Un atterrisseur américain devra effectuer un atterrissage sécurisé de haute précision, tandis qu'un orbiteur français démontrera la faisabilité de l'aérocapture, une technique qui utilise l'atmosphère d'une planète pour effectuer une mise en orbite à moindre coût. L'orbiteur du CNES emmènera avec lui les quatre petites stations géophysiques et météorologiques de la mission NetLander, et l'atterrisseur sera vraisemblablement équipé d'un robot mobile à très longue portée. Des expériences de science orbitale sur l'orbiteur et des investigations in situ sur l'atterrisseur sont également au programme. La fourniture d'une fusée Ariane 5 et d'un orbiteur est l'un des principaux points de la collaboration franco-américaine (Crédit photo : CNES/ESA/Arianespace).

Schéma technique de l'atterrisseur MSR

Schéma technique de l'atterrisseur impliqué dans le retour d'échantillons, tel qu'il était prévu dans l'ancien scénario (2003/2005). L'atterrisseur est principalement constitué par une plate-forme octogonale reposant sur des pieds. Les panneaux solaires, en forme d'éventails, possèdent une envergure de 7 mètres. Un robot mobile était sensé collecter des échantillons, avant de les charger dans la petite fusée à poudre de deux étages, montrée ici couchée dans une rainure. Par mesure de sécurité, le robot ne devait pas s'éloigner de l'atterrisseur, mais au contraire rester dans son voisinage. Il devait décrire une série de boucles tout autour de l'atterrisseur, en y rapportant à chaque fois le fruit de sa collecte. Dans le nouveau scénario, le robot est au contraire un imposant véhicule capable de parcourir des centaines de kilomètres à la surface de Mars. Pour éviter qu'il ne revienne sur ses pas, les ingénieurs ont proposé qu'il trimballe avec lui la fusée de remontée. Dans ce cas, la mission de l'atterrisseur consisterait juste à déposer le robot à la surface de Mars (Crédit photo : CNES/ESA/Arianespace).

Foreuse

La première idée qui vient à l'esprit pour collecter des échantillons de roches à la surface de Mars est de ramasser les premiers cailloux qui traînent ! Mais pour un géologue, c'est la dernière chose à faire. Les roches éparses qui jonchent le sol sont altérées et dégradées. La surface de ces roches est érodée et soumise en permanence au rayonnement ultraviolet et aux conditions agressives qui règnent à la surface de la planète. Leur intérêt est donc presque nul. C'est pourquoi le robot collecteur emportera un foret pour retirer des carottes rocheuses de 1,7 à 5 cm de longueur. Il effectuera ainsi une centaine de carottages. Une autre foreuse, beaucoup plus puissante puisqu'elle devrait atteindre 1 à 2 mètres de profondeur, sera peut être fixé sur l'atterrisseur (Crédit photo : droits réservés).

Retour des échantillons martiens

Lift Off ! Le moment tant attendu est arrivé. Le véhicule de remontée vient d'allumer ses moteurs à poudre et décolle de la surface martienne, avec les échantillons martiens à son bord. Au sol, on distingue l'atterrisseur et le robot qui s'est éloigné du pas de tir improvisé. Ce dessin d'artiste commence à dater un peu, et n'est plus représentatif du véhicule de remontée. Ici, le MAV vient de larguer son premier étage, tandis que les moteurs du deuxième étage ont pris le relais. Les échantillons sont placés dans les paniers rectangulaires situés de part et d'autre de la tuyère centrale.

Décollage du MAV

Dessin d'artiste représentant le décollage du véhicule de remontée (MAV). En bas à gauche on distingue la caméra du robot de collecte, qui s'est mis à l'écart. Grâce à lui, la NASA espère bien obtenir une photographie du décollage de la petite fusée depuis le sol martien. Le robot, planqué derrière un rocher et bien en sécurité lors du lancement, pointera ses caméras vers le pas de tir pour tenter d'immortaliser une première mondiale : une fusée terrestre quittant la surface martienne ! Constitués de deux étages à poudre, fiables mais peu précis, le véhicule de remontée mesure 1,2 de haut (Crédit photo : CNES/ESA/Arianespace).

L'orbiteur MSR

L'orbiteur français de 2007, composé de deux étages, se dirige vers la planète rouge. Le module de croisière assure les corrections de trajectoire et l'alimentation énergétique grâce à ses panneaux solaires. Il transporte aussi les petites stations du projet NetLander, dont deux apparaissent clairement ici. L'orbiteur proprement dit est fixé devant le module de croisière. On distingue son vaste bouclier thermique blanc et ses panneaux solaires qui sont encore pour l'instant repliés (Crédit photo : David Ducros, avec l'aimable autorisation du CNES).

L'orbiteur MSR

L'orbiteur s'est séparé du module de croisière. Il plonge maintenant dans l'atmosphère martienne, protégé d'une trop forte élévation de température par son bouclier thermique. Les frottements de l'air sur ce bouclier vont décélérer la sonde et permettre son insertion en orbite selon une technique qui sera ici utilisé pour la première fois, l'aérocapture (Crédit photo : David Ducros, avec l'aimable autorisation du CNES).

L'orbiteur MSR

Après sa mise en orbite par aérocapture, l'orbiteur de la mission de retour d'échantillons (2013 au plus tôt) déploie ses panneaux solaires et s'apprête à remplir une autre étape cruciale de sa mission : récupérer en orbite les roches martiennes, enfermées dans une petite sphère de 15 cm de diamètre, en orbite à 600 km d'altitude ! Grâce à des moyens radio et optique (laser), l'orbiteur va localiser précisément les containers et effectuer des manœuvres en vue d'opérer un rendez-vous. Cette phase sera particulièrement délicate à réaliser et l'échec ne sera pas une option. Le retour d'échantillon est une mission dont l'objectif est grandiose, mais elle est aussi à haut risque. C'est sans doute l'une des plus complexes depuis les vols Apollo, qui ont conduit l'Homme sur la Lune (Crédit photo : David Ducros, avec l'aimable autorisation du CNES).

Capture des containers

Lorsque l'orbiteur est à moins de 5 kilomètres du container, la phase de rendez-vous rapprochée et de capture peut débuter. Grâce à un faisceau laser, l'orbiteur peut analyser finement les mouvements du container, et manœuvrer pour s'en approcher au plus près. Un cône guide finira par gober mécaniquement la petite sphère métallique, qui sera placée dans la capsule de rentrée atmosphérique EEV (Crédit photo : CNES/ESA/Arianespace).

La Guerre des Mondes de H.G. Wells

Un grand classique de science-fiction, la Guerre des Mondes de H.G. Wells. Il faudra encore patienter au moins une bonne décennie avant que des échantillons martiens ne reviennent sur Terre, mais certains esprits s'inquiètent déjà des conséquences. La poignée de cailloux et de sol sera traitée comme si elle contenait les virus les plus dangereux : tenue de protection intégrale, laboratoire P4 ... Les martiens feraient-ils toujours peur ? (Crédit photo : droits réservés).

Retour des échantillons martiens

Si les ergols qui alimentent le moteur du véhicule de remontée des premières missions de retour d'échantillons seront apportés de la Terre, il n'en sera pas toujours ainsi. Le carburant pourrait aussi être fabriqué sur Mars, à partir de l'atmosphère martienne. Un retour direct, sans passer par un rendez-vous en orbite martienne, serait alors peut-être possible (Crédit photo : Pat Rawlings).

 

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