Mars Science Laboratory

Le Mars Science Laboratory, baptisé Curiosity, est un astromobile (rover) de la NASA destiné à l'exploration de la planète Mars, qui doit être lancé en novembre 2011 par une fusée Atlas V pour atteindre la planète Mars à l'été 2012 et y réaliser le premier atterrissage de précision. Il est prévu pour fonctionner une année martienne, soit 668 jours martiens, ce qui représente 686 jours terrestres.

Son objectif premier est d'évaluer l'habitabilité passée et présente de la planète rouge, et il est également conçu pour mener des recherches sur la géologie martienne, notamment des analyses de roches prélevées aussi bien en surface qu'en profondeur par forage.

L'engin sera cinq fois plus lourd que les rovers Spirit et Opportunity, et emportera dix fois plus de matériel que ces dernières, matériel fourni par les États-Unis, le Canada, l'Allemagne, la France, la Russie et l'Espagne. Le coût total de la mission est estimé à 2,3 milliards de dollars US.

La mission Mars Science Laboratory poursuit quatre objectifs principaux :

• déterminer si la vie a pu exister sur Mars ;
• caractériser le climat de Mars ;
• préciser la géologie de Mars ;
• préparer l'exploration humaine de la planète rouge.

Dans cette optique, et particulièrement du point de vue de l'habitabilité de la planète, Mars Science Laboratory devra travailler selon huit axes principaux :

1. recenser les composés organiques présents à la surface de Mars et établir leur distribution ainsi que leur concentration
2. quantifier les éléments chimiques fondamentaux de la biochimie : carbone, oxygène, hydrogène, azote, phosphore et soufre
3. identifier d'éventuelles traces de processus biologiques
4. caractériser la composition de la surface martienne et des couches superficielles du sol d'un point de vue minéralogique, isotopique et chimique
5. comprendre les processus de formation et d'altération des sol et des roches sur Mars
6. déterminer le schéma d'évolution de l'atmosphère de Mars sur les quatre derniers milliards d'années
7. établir le cycle de l'eau et le cycle du dioxyde de carbone sur Mars ainsi que la distribution actuelle de ces deux molécules sur la planète
8. mesurer le spectre large des radiations à la surface de Mars issues des rayons cosmiques, des bouffées de protons énergétiques émis par les éruptions solaires ou par les ondes de choc d'éjections de masse coronale, voire des neutrons secondaires issus de réactions de fission nucléaire dans l'atmosphère sous l'effet des rayonnnements incidents.

Le rover embarque plusieurs instruments scientifiques qui doivent lui permettre de détecter d'éventuelles traces d'eau, d'analyser précisément les roches, d'étudier les minéraux présents à la surface de Mars, de mesurer la chiralité des molécules détectées, et de caméras pouvant photographier en haute résolution. Ces instruments sont les suivants :

• Mahli caractérise la composition et la microstructure des roches, du sol, du givre et de la glace ;
• MastCam étudie l’absorption de la lumière par le sol martien ;
• Mardi cartographie l’environnement local du rover ;
• APXS mesure l’abondance des éléments chimiques lourds dans les roches et le sol ;
• ChemCam analyse à distance la nature, la composition et l’état d'altération des roches ;
• CheMin détecte la présence de minéraux formés en présence de l’eau ;
• Sam détecte des composés organiques et étudie leur chimie ;
• Rad caractérise de nombreux types de radiations en vue de l’exploration humaine ;
• Dan détecte les neutrons liés à l’hydrogène de l’eau sous la surface ;
• Rems est une station météorologique qui mesure la pression atmosphérique, l’humidité, les radiations ultraviolettes, la vitesse du vent, la température du sol et de l’air.

MSL intègre un instrument développé en partie par le CESR à Toulouse, ChemCam. Cet instrument permettra de faire de la spectroscopie à distance grâce à un rayon laser (partie gérée par le CESR) qui, en impactant la roche, va générer un plasma dont l'étude spectroscopique de la lumière de désexcitation permettra de connaître la composition élémentaire de la cible volatilisée. Ainsi, le rover sera capable d'analyser un nombre relativement important de roches autour de lui et de déterminer, grâce aux résultats fournis par ChemCam, lesquelles méritent d'être étudiées plus précisément avec les autres instruments qui travaillent au contact.

Par rapport à ses prédécesseurs le rover est un engin particulièrement imposant — 775 kg, contre 174 kg pour les rovers Spirit et Opportunity, et à peine 10,6 kg pour Sojourner — ce qui lui permet d'embarquer 80 kg d'instruments (contre 6,8 kg pour Spirit et Opportunity). Il est long de 2,7 m et peut se déplacer théoriquement à une vitesse de 90 m/h en navigation automatique, mais ne devrait pas pouvoir effectuer plus de 30 m/h en moyenne compte tenu des irrégularités du terrain ou des problèmes de visibilité. On table sur une distance totale parcourue à la surface de Mars d'au moins une vingtaine de kilomètres sur les deux années terrestres que doit durer la mission au minimum.

Au départ de l'orbite terrestre, le vaisseau spatial qui emporte le rover pèsera 3 400 kg comprenant, outre les 850 kg du rover proprement dit, 600 kg pour l'étage de croisière, qui prend en charge le trajet Terre-Mars et effectue les corrections de trajectoire nécessaires. L'étage de descente pèsera 829 kg, auxquels s'ajouteront 390 kg de carburant, 389 kg de bouclier thermique et 349 kg d'enveloppe externe arrière.

Le rover sera bien plus performant que les robots actuels grâce à un générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG) développé par le Département de l'Énergie des États-Unis utilisant une charge de 4,8 kg de dioxyde de plutonium PuO₂ enrichi en plutonium 238 générant une puissance initiale d'environ 2 000 W thermiques convertis nominalement en 120 W électriques par thermocouples PbTe/TAGS : Mars Science Laboratory pourra ainsi disposer d'une énergie abondante de 2,5 kWh/j au lieu de 0,6 à 0,9 kWh/j sur Opportunity, dont la puissance résiduelle, le 12 mai 2009 (après 1884 sols) n'était plus que de 460 Wh/j. De surcroît, cette puissance sera indépendante de l'intensité du rayonnement reçu du Soleil et n'imposera donc pas d'arrêter la mission pendant l'hiver martien, contrairement au cas de Spirit et d'Opportunity. MSL dispose d'une autonomie nominale d'une année martienne, soit près de deux années terrestres, mais sa source d'énergie devrait encore fournir 100 W électriques après 14 années terrestres de fonctionnement.

Un système de radiateurs composé de près de cinquante mètres de tubes dans lesquels circule un fluide caloporteur permet de rejeter la chaleur excédentaire.

Le rover dispose de deux ordinateurs identiques « radiodurcis » — radiation-hardened ou rad-hard en anglais — pour résister aux rayons cosmiques, construits chacun autour d'un cœur RAD750 fournissant une puissance de 400 MIPS à 200 MHz, successeur du RAD6000 utilisé par les Mars Exploration Rovers. Chaque ordinateur comporte 256 Ko d’EEPROM, 256 Mo de mémoire DRAM et 2 Go de mémoire flash. Une centrale à inertie à trois axes doit faciliter la navigation sur le terrain.

Le rover inaugure une nouvelle technique d'atterrissage final sur Mars car le système des coussins gonflables utilisés pour Spirit n'était pas adapté à son poids et, dans l'atmosphère très peu dense de Mars, un parachute n'est pas suffisant pour effectuer un atterrissage en douceur. Un deuxième changement dans la technique mise en œuvre durant la première phase de descente doit permettre de réduire à 10 km la distance entre le point d'atterrissage et le lieu visé (au lieu de 150 km pour Spirit). La descente vers Mars qui dure environ 6 minutes comporte 4 étapes :

• Avant de pénétrer dans l'atmosphère martienne, le rover se sépare de l'étage de croisière qui a géré la traversée Terre-Mars. Lorsque le rover entame sa descente vers le sol martien, il est toujours à l'intérieur d'une enveloppe qui l'a protégé durant la traversée Terre-Mars et qui comporte un bouclier thermique. Le freinage atmosphérique porte la température du bouclier à 1 450 °C. Durant cette phase, l'angle d'entrée est régulièrement ajusté pour se maintenir sur la trajectoire idéale.
• Quatre minutes et demie après le début de la rentrée, alors que la vitesse est descendue à Mach 2, le bouclier est largué et une demi-minute plus tard un parachute se déploie.
• Lorsque le rover atteint l'altitude de 1 500 mètres, le parachute est largué et l'étage de descente allume ses 8 moteurs pour achever de freiner la descente. Le rover est à ce moment suspendu sous l'étage de descente.
• Alors que le rover touche presque terre, l'étage de descente descend le rover au bout de trois suspentes de 7,50 mètres chacune. Le rover déploie ses roues et se met en ordre de fonctionnement. Le déploiement du rover est achevé huit secondes après le début de cette phase et huit secondes plus tard le rover touche doucement le sol. Lorsqu'il a confirmé qu'il est bien sur le sol, l'étage de descente lui donne l'instruction de couper les suspentes puis s'écarte avant d'aller s'écraser plus loin sur le sol martien.

Le choix du site d'atterrissage de Mars Science Laboratory est crucial pour le succès de la mission. Le site doit présenter un environnement géologique ou un ensemble d'environnements propice à la vie. Il doit permettre de réaliser la plus grande variété d'expériences afin de maximiser le nombre d'axes de recherche pouvant être explorés. Un site dont le spectre indique la présence simultanée de plusieurs minéraux hydratés, par exemple des argiles avec des sulfates hydratés, constitue une cible potentielle. L'hématite, d'autres oxydes de fer, les sulfates, les silicates, ainsi peut-être que certains chlorures, pourraient avoir permis la fossilisation d'éventuelles formes de vie martiennes.

Les sites susceptibles d'avoir préservé d'éventuelles traces de vie passée, présentent une topographie marquée, offrant ainsi une forte variété d'affleurements et de roches. Les concepteurs de la mission Mars Science Laboratory ont donc du élaborer un véhicule capable d'atteindre et d'explorer de tels sites en toute sécurité.

Les contraintes techniques de la mission (masse de la sonde, scénario d'atterrissage) imposent de choisir un site d'atterrissage situé à moins de 45° de l'équateur de Mars et à moins de 1 000 mètres d'altitude au-dessus du niveau de référence martien. Sur le plan scientifique, l'appel à idées international a recueilli plus de 90 propositions, regroupées en 33 sites généraux, qui sont discutés et classés une première fois durant le 1 congrès dédié à la sélection du site d'atterrissage de MSL, en juin 2006. Ce congrès et les suivants sont ouverts à l'ensemble de la communauté scientifique. Quelques autres sites sont rajoutés à la première liste et examinés au cours du deuxième congrès qui se tient l'année suivante en octobre 2007 et qui se conclue, après un classement puis un vote, par la sélection de dix sites. Le 3 congrès, qui a lieu en septembre 2008, remanie et réduit encore la sélection à sept sites  :

• le cratère Eberswalde,
• le cratère Holden,
• le cratère Gale,
• Mawrth Vallis,
• Nili Fossae,
• le cratère Miyamoto,
• le sud de Meridiani Planum.

Quatre sites sont finalement retenus en novembre 2008:

Nili Fossae, qui présente également des caractéristiques intéressantes (notamment de l'hydrothermalisme libérant du méthane), est devancé de très peu par Mawrth Vallis lors du vote de 2008, en raison des risques accrus à l'atterrissage par rapport à ce dernier.

Le 20 août 2009, la NASA demande à recevoir d'autres propositions de sites d'atterrissage, qui seront examinés lors du 4 congrès de sélection, fin septembre 2010. Cette réunion de travail sera suivie d'une dernière, la 2 semaine de mars 2011, avant le lancement de la mission qui devrait avoir lieu en octobre 2011.

La NASA après une sélection de neuf finalistes (Journey, Wonder, Perception, Adventure, Sunrise, Curiosity, Amelia, Poursuit et Vision) sur plus de 9 000 propositions et le vote des internautes a finalement retenu le nom de Curiosity, le 27 mai 2009. Ce nom a été proposé par une jeune fille de 12 ans, Clara Ma. Voici ci-dessous la traduction de l’essai qu’elle a envoyé à la NASA pour justifier son choix :

« La curiosité est une flamme éternelle qui brûle dans tous les esprits. Elle me pousse hors du lit le matin et m’interroge sur les surprises que la vie me lancera en ce jour. La curiosité est une force tellement puissante. Sans elle, nous ne serions pas ce que nous sommes aujourd’hui. Quand j’étais plus jeune, je me demandais « Pourquoi le ciel est-il bleu ? », « Pourquoi les étoiles scintillent-elles ? », « Pourquoi suis-je moi ? », et je m’interroge encore. J’ai tellement de questions, et l’Amérique est le lieu où je veux trouver mes réponses. La curiosité est la passion qui nous pousse dans notre vie de tous les jours. Ce besoin de poser des questions, de s’émerveiller, a fait de nous des explorateurs et des scientifiques. Bien sûr, il y a beaucoup de risques et de dangers, mais malgré cela, nous continuons toujours à nous interroger et à rêver, à créer et à espérer. Nous avons déjà tant découvert sur le monde, mais nous en savons en fait tellement peu. Nous ne saurons jamais tout ce qu’il y a à savoir, mais grâce à notre flamme de curiosité, nous avons tant appris. »