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 et la géologie de la planète (Selon la dernière définition de l'Union astronomique internationale (UAI), « une planète est un corps céleste (a) qui est en orbite autour du Soleil, (b) qui possède une...) 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 - dans un contexte professionnel - une aventure temporaire entreprise dans le but de créer un produit ou un service unique:) 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...) 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 (La physico-chimique est une sous-discipline de la chimie et de la physique qui étudie les phénomènes physico-chimiques en utilisant des techniques de la physique atomique et moléculaire et de la physique de la...) (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 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...) 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 interstellaire...) 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 gazeuses.) (IRAP) de Toulouse, afin d'adapter une de leurs technologies pour concevoir l'instrument qui équipera, dix ans plus tard, le rover Curiosity.

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, 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 : infrarouge) ou par une désintégration...) 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 qui constituerait les...) (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...), 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 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 base, il décrit ses...) de l'instrument et faire la démonstration (En mathématiques, une démonstration est un raisonnement qui permet, à partir de certains axiomes, d'établir qu'une assertion est nécessairement vraie.) 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

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 (que l'on appelle éléments de l'ensemble), « une...) 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...) de développer la partie optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière 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 optique qui permet d'augmenter la taille apparente des objets observés et surtout leur luminosité. Son...) 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...) 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 (Thales, anciennement Thomson-CSF jusqu'en 2000, est une société d'électronique spécialisée dans l'aérospatial, la défense et les technologies de l'information. Elle est cotée à la bourse de Paris.) 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 par...) 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 1/299 792 458 seconde.) de la Terre (La Terre, foyer de l'humanité, est surnommée la planète bleue. C'est la troisième planète du système solaire en partant du Soleil.), suivant sa position).

Pour en savoir plus: Comment fonctionne la technique LIBS