Mars Exploration Rover - Définition et Explications
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Introduction
Mars Exploration Rover (Mars Exploration Rover (MER) est une mission double de la NASA lancée en 2003 et composée de deux robots mobiles ayant pour objectif d'étudier la géologie de la planète Mars...) (MER) est une mission double de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est...) lancée en 2003 et composée de deux robots mobiles ayant pour objectif d'étudier la géologie (La géologie, du grec ancien γη- (gê-, « terre ») et λογος (logos, « parole », « raison »), est la science qui traite de la...) 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 que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique,...) Mars et en particulier le rôle joué par l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) dans l'histoire de la planète. Les deux robots ont été lancés au début de l'été 2003 et se sont posés en janvier 2004 sur deux sites martiens susceptibles d'avoir conservé des traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission européenne dans le cadre du...) de l'action de l'eau dans leur sol. Chaque rover ou astromobile (Une astromobile, dans le domaine de l'astronautique, est un véhicule conçu pour se déplacer à la surface d'astres autres que la Terre.), piloté par un opérateur (Le mot opérateur est employé dans les domaines :) depuis 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...), a alors entamé un périple (Avant de désigner un voyage (agréable ou non, court ou long, sur mer ou non, effectif ou spirituel) et ce que celui-ci peut compter comme escales, rencontres et aventures, le...) en utilisant une batterie d'instruments embarqués pour analyser les roches les plus intéressantes :
- MER-A rebaptisé Spirit a atterri dans le cratère Gusev (Le cratère Gusev est un cratère météoritique martien situé par 14° 35’ S, 175° 25’ E.), une dépression de 170 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 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. Le diamètre...) qui a peut-être accueilli un lac (En limnologie, un lac est une grande étendue d'eau située dans un continent où il suffit que la profondeur, la superficie, ou le volume soit suffisant pour provoquer une stratification, une...).
- MER-B renommé Opportunity s’est posé le 24 janvier 2004 sur Meridiani Planum (Meridiani Planum est une plaine de la planète Mars localisée par 00° 10’ N, 02° 30’ W. Son nom vient de sa position sur Mars. En effet le premier...).
Chaque rover pèse environ 185 kg et se déplace sur 6 roues (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) mues par l'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité d'électricité.) fournie par des panneaux solaires. Il est équipé de trois paires de caméras utilisées pour la navigation (La navigation est la science et l'ensemble des techniques qui permettent de :) et de plusieurs instruments scientifiques : 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.) panoramique située sur un mat à 1,5 mètres de hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.), un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la...) pour abraser la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) des roches porté par un bras articulé sur lequel se trouvent également 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...) à rayons X, un spectromètre Mössbauer (La spectrométrie Mössbauer est une méthode permettant de déterminer le degré d'oxydation et l'environnement d'élèments chimiques. L’effet Mössbauer, sur lequel s'appuie ce spectromètre, a valu le prix Nobel de physique à...) et une caméra microscope. Enfin un spectromètre infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) est utilisé pour l'analyse des roches et de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :).
La mission MER s'inscrit dans un programme d'exploration de Mars de la NASA très ancien et fait suite à deux missions américaines sur le sol martien (Martien est un nom générique qui désigne plusieurs types de créatures imaginaires censées vivre sur mars. Selon la version la plus répandue, les martiens, également nommés « petits hommes...) aux capacités scientifiques beaucoup plus limitées : le programme Viking (Le programme Viking était composé de deux missions distinctes de sondes spatiales de la NASA, Viking 1 et Viking 2. L'équipement de ces deux sondes était identique. Ces missions...) de 1976 et Mars Pathfinder (La mission Mars Pathfinder fut lancée le 4 décembre 1996 par la NASA grâce à une fusée Delta II, un mois après l'orbiteur Mars Global Surveyor....) de 1997. Les objectifs scientifiques du programme ont été remplis avec la découverte par les deux robots de plusieurs formations rocheuses qui résultent probablement de l'action de l'eau dans le passé : billes d'hématite (L’hématite, est une espèce minérale composée d’oxyde de fer(III) de formule Fe2O3 avec des traces de titane Ti, d'aluminium Al, de manganèse Mn et d'eau H2O....) grise et silicates. Les robots ont également permis d'étudier les phénomènes météorologiques, d'observer des nuages et de caractériser les propriétés des couches de l'atmosphère martienne. Les deux véhicules MER conçus et gérés par le Jet Propulsion Laboratory (Le Jet Propulsion Laboratory (JPL), basé à Pasadena aux États-Unis, est une joint-venture entre la NASA et le Caltech qui est chargé de la construction et de la supervision des vols...) ont largement dépassé les objectifs qui leur étaient fixés : parcourir 600 mètres et rester opérationnel durant 90 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit...) martiens. Spirit, désormais bloqué par le sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites particules provenant de la désagrégation d'autres roches dont la dimension est comprise entre 0,063 et 2 mm.), a pu parcourir 7,7 kilomètres et a transmis ses dernières données scientifiques le 22 mars 2010 tandis qu'Opportunity, toujours opérationnel après avoir progressé en juin 2010 de plus de 21 kilomètres, se dirige vers le cratère ( Pour le cratère d'origine volcanique, voir Cratère volcanique Pour le cratère d'origine météoritique, voir Cratère d'impact Pour le cratère formé à la suite d'un effondrement...) Endeavour (Endeavour est à l'origine le premier voilier du célèbre capitaine britannique James Cook.).
Historique
Les sondes martiennes américaines des années 1990
La NASA lance en 1992 la mission Mars Observer (Mars Observer, lancé par la NASA le 25 septembre 1992, était une sonde dont la mission était d'étudier la planétologie et le climat de Mars.) alors qu'il s'est écoulé dix-sept ans depuis le programme américain Viking et sa dernière mission Viking 2. Mais trois jours avant la date prévue pour l’insertion sur son orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) martienne, le contact est perdu. Mars Observer est la sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les...) la plus coûteuse lancée par la NASA et elle est perdue avant d'avoir accompli sa mission (813 millions de dollars de l'époque). Cet échec entraîne une révision de la stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) d'exploration planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie....) américaine : celle-ci doit désormais permettre d'envoyer davantage de sondes à budget (Un budget est un document comptable prévisionnel distinguant les recettes et les dépenses.) serré de manière à ne pas tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) perdre en cas d’échec. C'est le « better, faster, cheaper » qui devient la devise du nouveau programme Discovery. Dans le cadre de ce programme à chaque conjonction favorable de Mars et de la Terre (soit environ tous les deux ans), la NASA prévoit d'envoyer à la fois une sonde spatiale (Une sonde spatiale est un vaisseau spatial non habité envoyé par l'homme pour étudier à plus ou moins grande distance les corps célestes se trouvant dans le système solaire...) de type orbiteur (Dans le domaine de l'astronautique, un orbiteur est un vaisseau satellisé autour d'une planète. Plus précisément, il est utilisé pour désigner :), qui doit effectuer ses observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête...) depuis l'orbite martienne, et une autre de type atterrisseur (Un atterrisseur (lander en anglais) désigne en dans le domaine de l'astronautique un engin spatial embarqué dans un véhicule spatial destiné à se poser sur la surface d'un astre (ou d'un satellite)....), chargée de se poser sur le sol martien pour y recueillir des données scientifiques. Les deux premières sondes sont lancées en 1996 et remplissent leur mission avec succès : l’atterrisseur Mars Pathfinder se pose sur Mars et libère le premier robot (Un robot est un dispositif mécatronique (alliant mécanique, électronique et informatique) accomplissant automatiquement soit des tâches qui sont...) mobile extraplanétaire, Sojourner, qui explore les environs durant quelques semaines ; l'orbiteur Mars Global Surveyor renvoie durant neuf ans une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) inégalée de données sur l'atmosphère, la surface et la structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant...) de Mars. Conformément à ses plans, la NASA lance fin 1998/début 1999 deux nouvelles sondes lorsque Mars se trouve dans une position favorable, mais Mars Climate Orbiter (Mars Climate Orbiter (anciennement Mars Surveyor Orbiter) était l'une des deux sondes spatiales du programme Mars Surveyor, l'autre étant Mars Polar Lander (anciennement Mars Surveyor Lander). Ces deux projets devaient étudier la...) et Mars Polar Lander (La sonde Mars Polar Lander faisait partie intégrante du programme Mars Surveyor 98 de la NASA. Cette sonde, destinée à se poser sur sol martien, comprenait aussi un pénétrateur (baptisé...) sont toutes deux victimes de défaillances avant d'avoir débuté leur mission. La NASA décide d'annuler le lancement des deux sondes de Mars Surveyor 2001 : l'atterrisseur devait comporter un rover, baptisé Athena aux capacités très proches des rovers MER. L'échec entraine également la remise en question du principe du « better, faster, cheaper » et l'arrêt des lancements doubles de sondes construites selon ce principe.
Changement de stratégie
Au début des années 2000, alors que la NASA achève le développement de la sonde 2001 Mars Odyssey (2001 Mars Odyssey est le nom donné à un vaisseau spatial de la NASA en orbite autour de la planète Mars. Cette sonde utilise des spectromètres et l'imagerie pour détecter une présence éventuelle...), l'agence spatiale (Une agence spatiale est un organisme d'État ayant pour but d'étudier l'Espace et de développer et gérer des programmes spatiaux) américaine décide de revoir sa stratégie d'exploration de la planète Mars. La sonde Mars Global Surveyor a envoyé des données qui confirment que la planète a eu une histoire climatique complexe et intéressante au cours de laquelle de grandes masses d'eau ont coulé sur le sol martien. Mais le déroulement de ces événements et la manière dont l'eau a interagi avec l'atmosphère et la surface martienne n'ont pu être reconstitués. Compte tenu de ce nouvel éclairage sur le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur...) martien, beaucoup de scientifiques souhaitent l'envoi d'une mission spatiale capable de ramener un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...) du sol martien sur Terre qui pourrait apporter des réponses décisives à certaines de ces interrogations. Mais la réussite de cette mission très complexe nécessite que de nombreuses conditions soient remplies : identifier un site d'atterrissage (L’atterrissage désigne, au sens étymologique, le fait de rejoindre la terre ferme. Le terme recouvre cependant des notions différentes suivant qu'il est...) susceptible d'abriter des traces de vie (La vie est le nom donné :), effectuer un atterrissage d'une très grande précision et disposer d'un robot capable d'atteindre le site visé pour récupérer un échantillon intéressant si nécessaire en forant. Or seule la caméra à très 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.) de Mars Reconnaissance Orbiter (Mars Reconnaissance Orbiter (sigle : MRO) est une sonde spatiale américaine actuellement en orbite autour de Mars. Son lancement, initialement prévu par la NASA le...), dont le lancement est prévu en 2006, peut éventuellement identifier un site favorable. De plus le risque est grand de ramener un échantillon ne fournissant aucune donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) exploitable. La NASA n'a pas à cette période de budget suffisant pour une mission aussi couteuse.
La mission MER
L'agence spatiale se rabat donc sur une mission reposant sur un rover géologue qui doit explorer, analyser sur place à l'aide de ses instruments scientifiques embarqués et transmettre les résultats de ses mesures. La NASA écarte l'utilisation d'un rover dérivé de Mars Pathfinder car son autonomie trop limitée ne permettrait pas de prospecter suffisamment le sol martien. Le JPL propose de développer un rover, baptisé Mars Exploration Rover (MER), avec des dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son...) nettement supérieures, doté d'une plus grande autonomie et suffisamment léger pour permettre l'utilisation de coussins gonflables (« airbags ») utilisés avec succès pour l'atterrissage de la sonde Pathfinder. Pour limiter les risques de la mission, la NASA décide en août 2000 d'envoyer deux engins similaires, comme cela se pratiquait couramment au début de l'ère spatiale : l'agence argumente que le coût de la construction d'un deuxième exemplaire est faible par rapport à celui du développement du MER et que par contre si les deux rovers réussissent leur mission, les gains scientifiques seront fortement accrus. L'agence spatiale renonce à sa politique des sondes bon marché : 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...) de la mission va couter 850 millions de dollars. La NASA planifie le lancement pour la prochaine fenêtre de tir (Une fenêtre de tir en astronautique est la période pendant laquelle les conditions optimales pour le lancement d'une fusée sont réunies.) en direction de Mars qui doit s'ouvrir durant l'été 2003. Chaque MER est équipé de 6 instruments scientifiques et est conçu pour parcourir au moins 1 km durant 90 jours martiens.
Les objectifs scientifiques de la mission
La NASA assigne sept objectifs scientifiques à la mission :
- Rechercher des roches et des sols témoignant de l'action passée de l'eau et déterminer leurs caractéristiques. Cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) porte en particulier sur les minéraux déposés par les processus liés à la présence d'eau tels que les précipitations, l'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide....), la sédimentation et l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) hydrothermale.
- Déterminer la distribution et la composition des minéraux, rochers et sols qui entourent les sites d'atterrissage.
- Déterminer les processus géologiques à l'origine de la formation des sols avoisinants et qui ont influencé leur chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.). Ces processus peuvent inclure l'érosion par l'action du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel à tous les phénomènes...) ou par l'eau, l'activité hydrothermale, le volcanisme et l'impact de météorites.
- Valider les données collectées par les sondes en orbite en les confrontant aux observations au sol. Ces vérifications doivent permettre de déterminer la précision et le bon fonctionnement des différents instruments qui effectuent des observations géologiques depuis l'orbite.
- Rechercher des minéraux contenant du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le...), identifier et quantifier les différents types de minéraux qui contiennent de l'eau ou ont été formés dans l'eau tels que les carbonates de fer.
- Déterminer les caractéristiques des minéraux ainsi que les textures des roches et des sols et spécifier les processus qui les ont créés.
- Rechercher des indices géologiques de la période où l'eau était présente sous forme liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). Déterminer si ces environnements pouvaient être propices à la vie.
Une architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) technique fortement inspirée des missions précédentes
La conception des sondes MER repose en grande partie sur des développements réalisés pour des missions antérieures. L'architecture utilisée pour la mission Pathfinder de 1996 est reprise pour l'étage de croisière chargé de propulser les sondes entre la Terre et Mars et le véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.) de rentrée et le module d'atterrissage. Ceux-ci sont toutefois redimensionnés : le parachute (Le parachute est un dispositif destiné à freiner le mouvement, principalement vertical d'un objet ou d'une personne.) est 40% plus grand et les fusées chargées de ralentir la sonde avant l'atterrissage sont 90% plus puissantes. Les instruments scientifiques sont un héritage du rover Athena qui devait constituer la charge utile (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...) de l'atterrisseur de la mission Mars Surveyor 2001 annulée.