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Posté par Michel le Mardi 07/08/2012 à 12:00
Curiosity: la recherche nucléaire appliquée à l'exploration spatiale
Le rover Curiosity s'est posé sur Mars le 6 août, dans le cratère Gale, après un long voyage de 9 mois. En mission d'exploration sur la planète rouge, ce petit bijou de technologie a pour projet de déterminer si la vie a pu exister sur Mars, de caractériser le climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se distingue de la météorologie qui désigne...) et la géologie de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour...) et enfin de préparer l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) humaine. Comment une équipe de chercheurs français spécialisés dans le domaine du nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) se retrouve-t-elle impliquée dans ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de contribution,...) extraterrestre ?

Aux prémices du projet Mars Science Laboratory (Le Mars Science Laboratory est un robot de la NASA qui doit être envoyé sur Mars en 2009.) (MSL), la Nasa (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du programme spatial des...) a lancé un appel d'offres international pour recenser les meilleures technologies existantes afin de répondre aux nombreuses interrogations que réserve la planète Mars. Parmi les défis à relever: l'analyse à distance de la composition des roches martiennes. Les chercheurs du Département de physico-chimie (Direction de l'énergie nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) au CEA) ont ainsi été sollicités, dès 2001, par l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) en Astrophysique (L’astrophysique est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers (étoiles, planètes, galaxies, milieu...) et Planétologie (La planétologie est la science de l'étude des planètes. La discipline recouvre de nombreuses branches de la science ; son domaine d'étude s'étend des grains microscopiques jusqu'aux planètes géantes...) (IRAP) de Toulouse, afin d'adapter une de leurs technologies pour concevoir l'instrument qui équipera, dix ans plus tard, le rover Curiosity.


Grâce à la technologie LIBS, le rover Curiosity peut analyser la composition élémentaire
des roches martiennes à distance: un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...) pulsé et concentré sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec...) de roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est...)
la vaporise et en étudie la composition à l'échelle de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...).
Crédits: LACOUR - TABARANT DPC-SCP-LRST

La technologie LIBS

Le département de physico-chimie (DPC) travaille notamment sur l'analyse des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) dans le domaine du nucléaire. Une des contraintes dans ce domaine est de pouvoir contrôler et analyser des zones non accessibles directement par l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme...), soit parce que cela représente un danger potentiel, soit parce que l'étude nécessite une analyse in situ. C'est pourquoi le DPC a mis au point (Graphie), dès les années 80, la technique LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy):

- un rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple :...) laser pulsé est focalisé sur une partie du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) à analyser pour le vaporiser ;
- un plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma...) (gaz ionisé) se forme et est ensuite analysé grâce à un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie de masse — en ses éléments...), pour déterminer la composition chimique du matériau.

L'intérêt de la LIBS repose sur sa rapidité de mesure, sa simplicité de mise en oeuvre et la possibilité de se trouver à distance du matériau à analyser. Utilisée aujourd'hui dans de nombreux domaines industriels (métallurgie, industrie pétrolière...), cette technique est développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) et mise en oeuvre au CEA pour la recherche nucléaire.

Adapter cette technologie aux conditions spatiales

Des adaptations de la LIBS ont été nécessaires, d'une part pour répondre aux conditions environnementales de Mars, d'autre part pour correspondre aux critères (dimension et poids) d'un instrument destiné à aller dans l'espace. Les chercheurs ont recréé, dans leur laboratoire, une chambre de tests qui reproduisait les conditions atmosphériques martiennes. Ils ont effectué leurs premières expériences dans le but de réaliser le cahier des charges (Un cahier des charges est un document visant à définir exhaustivement les spécifications de base d'un produit ou d'un service à réaliser. Outre les spécifications de...) de l'instrument et faire la démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions initiales, en...) de principe. Sur la base de ces résultats, la Nasa a choisi, fin 2004, l'équipe française pour développer, en collaboration avec le laboratoire américain du Los Alamos National Laboratory, l'instrument ChemCam qui équipe aujourd'hui le rover Curiosity.

L'implication du CEA dans la mission de Curiosity


L'appareillage qui compose la technologie LIBS © CEA

Reconnus comme experts français pour la technique LIBS, les chercheurs du DPC ont suivi l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) des étapes de conception et de fabrication de l'instrument embarqué. Les équipes françaises de l'IRAP ont été en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) de développer la partie optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) de l'appareil de mesures.

Celle-ci se compose du laser et de son électronique, ainsi que d'un télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant...) dont la fonction est triple:
-réaliser une image haute définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) des roches grâce à une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.)
-focaliser le rayonnement laser sur les zones d'intérêt
-collecter l'émission du rayonnement induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) par l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) laser-surface.

Ce rayonnement sera ensuite véhiculé par fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) optiques jusqu'aux trois spectromètres situés dans le corps principal du rover et dont le développement a été à la charge des équipes de Los Alamos. La réalisation du laser a été confiée à Thales (Thalès de Milet appelé communément Thalès (en grec ancien Θαλής / Thalês), était un philosophe présocratique ionien né à Milet vers -625 et mort vers l'an 547...) Laser. Ce laser peut pouvoir produire un plasma jusqu'à 7 mètres de distance, fournir une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de l'ordre de 30 mJ, une durée d'impulsion de 7 ns et une bonne qualité de faisceau.

Les résultats collectés seront envoyés via un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps...) transmis directement aux centres de commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) situés à Pasadena. Deux chercheurs du DPC participeront aux premiers dépouillements des résultats et aux éventuels réglages nécessaires. Les séquences de mesures des roches martiennes seront ensuite programmées la veille pour le lendemain. En fonction des résultats obtenus sur un site, dans une zone de 7 mètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère.), il sera décidé ou non de faire bouger le rover. D'où l'avantage de l'analyse à distance qui permettra d'anticiper la direction à prendre en fonction de l'intérêt d'analyse du site.

C'est grâce à leur expertise dans un domaine situé à des "années lumières" de l'exploration spatiale, que des chercheurs du CEA ont pu ainsi envoyer un peu d'eux-mêmes sur Mars (qui n'est jamais qu'à une distance située entre 56 et 400 millions de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus...), suivant sa position).

Pour en savoir plus: Comment fonctionne la technique LIBS

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Source: CEA