Phoenix (sonde spatiale) - Définition

Caractéristiques et instruments scientifiques

Cet atterrisseur est construit autour de la plate-forme initialement prévue pour l'atterrisseur Mars Surveyor de 2001. Une fois ses panneaux solaires déployés, quinze minutes après l'atterrissage, il mesure environ 5,5 mètres de longueur sur 1,5 mètre de diamètre.

Cette mission a été abandonnée en 2000 après l'échec de Mars Polar Lander, écrasée sur Mars en 1999. Il embarque une suite d'instruments, hérités des missions Mars Polar Lander et Mars Surveyor 2001 et développés spécifiquement pour la mission.

Phoenix utilise la suite d'instruments les plus avancés jamais posés sur Mars d'une masse totale de 55 kilogrammes. Pour analyser les échantillons ramassés, Phoenix utilise un petit four et divers instruments d'analyse dont un spectromètre de masse. Les échantillons sont tout simplement chauffés de façon à mieux déterminer leur composition et leurs caractéristiques.

Bras robotisé (R.A.)

Le bras robotisé (en anglais Robotic Arm). Instrument réalisé par le Jet Propulsion Laboratory.

Ce bras très sophistiqué était équipé d'une petite pelle fixée à son extrémité qui s'est révélée capable de creuser une tranchée de 25 centimètres de profondeur environ et de collecter des échantillons pour d'autres instruments. D'une longueur de 2,35 mètres, ce bras offrait quatre degrés de liberté, et pouvait exercer une force de 80 newtons.

Caméra du bras robotisé (R.A.C.)

La caméra du bras robotisé (en anglais Robotic Arm Camera). Instrument réalisé par l'Université d'Arizona et l'Institut Max Planck.

La caméra du bras robotique était montée à son extrémité. Une multitude de petites LED de couleurs permettaient de prendre des images avec un éclairage rouge, bleu ou vert. La lentille était protégée de la poussière par un cache transparent amovible. Cette caméra a réalisé des images des échantillons collectées par la pelle à partir du sol. Elle n'a finalement pas réalisé d'image des parois des tranchées creusées par le bras, ni pu être déplacée à proximité de roches voisines pour examiner leur texture.

Imageur stéréo (S.S.I.)

L'imageur stéréo (en anglais Surface Stereo Imager). Instrument réalisé par l'Université de l'Arizona.

L'instrument SSI a constitué les yeux de l'atterrisseur. Héritée des sondes Mars Pathfinder et Mars Polar Lander, mais améliorée grâce à des capteurs haute résolution similaires à ceux des astromobiles américains Spirit et Opportunity, la caméra SSI a pu prendre des images stéréoscopiques en couleurs du site d'atterrissage, pratiquement à hauteur d'homme (2 mètres au-dessus de la surface martienne).

Des roues à filtres ont permis à la caméra d'observer dans 12 longueurs d'ondes différentes (du violet au proche infrarouge) le sol, le ciel et le soleil. Les panoramas réalisés ont permis de caractériser la géologie du site d'atterrissage, d'identifier les minéraux des roches et du sol, et de réaliser des cartes permettant de définir les déplacements du bras robotique. En se tournant vers le ciel, la caméra a pu étudier les nuages constitués de cristaux de glace d'eau ainsi que la poussière en suspension dans l'atmosphère martienne (en jaugeant l'atténuation de la lumière du soleil par les particules de poussière).

Analyseur de gaz (T.E.G.A.)

L'analyseur de gaz (en anglais Thermal and Evolved Gas Analyzer). Instrument réalisé par l'université d'Arizona et par l’université du Texas.

Cet instrument original, qui combine des petits fours et un spectromètre de masse, a eu pour tâche d'analyser les échantillons de sol et de glace collectés par le bras robotique. Le TEGA de Phoenix est similaire à l'appareil du même nom embarqué sur la sonde Mars Polar Lander, et s'est livré aux premières recherches de composés organiques depuis les sondes Viking en 1976.

Le bras robotique a commencé par creuser une petite tranchée de quelques centimètres dans le sol. Un échantillon fut prélevé, photographié par la caméra du bras robotique puis déposé dans l'un des 8 fours du TEGA (leur taille est approximativement celle d'une petite cartouche d'encre). Une diode LED a servi à confirmer qu'un échantillon de sol a bien été délivré. L'échantillon fut alors porté à très haute température (environ 1000 °C), et ce de manière progressive. Bien qu'alimenté uniquement par des panneaux solaires, le TEGA a pu atteindre une telle température, car la masse de l'échantillon à chauffer était très faible (100 milligrammes environ).

Lors du chauffage progressif, le sol a libéré de l'eau et du CO, ainsi que diverses substances volatiles emprisonnées dans différents minéraux. L'identification des substances volatiles s'est effectué grâce à un spectromètre de masse très sensible, qui a pu mesurer précisément la masse (et donc la nature), ainsi que la concentration des substances libérées au cours du chauffage. Une fois utilisé, un four ne pouvait plus servir. Le TEGA devait aussi jouer le rôle d'un calorimètre, étant donné que l'énergie à fournir pour porter les fours à une certaine température était contrôlée. En tout et pour tout, le TEGA devait analyser 8 échantillons de sol.

Caméra de descente (Mar.D.I.)

La caméra de descente (en anglais Mars Descent Imager). Instrument réalisé par Malin Space Science Systems.

L'instrument MARDI est une caméra dont l'objectif était d'acquérir des images grand angle et en couleurs du site d'atterrissage lors de la descente vers la surface martienne, un peu comme la caméra DIMES des astromobiles Spirit et Opportunity. MARDI devait entrer en fonctionnement juste après l'éjection du bouclier thermique, et prendre 20 images de la région située en dessous d'elle. Grâce à ces données, les scientifiques devaient être à même de caractériser géologiquement le site d'atterrissage et de construire un modèle numérique en 3D de l'endroit où Phoenix allait travailler. Malheureusement, une erreur de programmation devait forcer les ingénieurs de la NASA a déprogrammer la caméra. Aucun cliché ne fut donc prit lors de la descente.

Analyseur microscopique et électrochimique (M.E.C.A.)

L'analyseur microscopique et électrochimique (en anglais Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer) est un Instrument réalisé par le Jet Propulsion Laboratory, l'Université de Neuchâtel et l'Université de l'Arizona.

L'expérience MECA est un véritable petit laboratoire destiné à analyser de nombreuses propriétés du sol martien. Elle s'organise autour de trois instruments :

• Un petit laboratoire humide, qui devait mesurer de nombreuses propriétés du sol, comme le pH, le potentiel d'oxydo-réduction, la salinité (magnésium, sodium, chlore, brome et sulfates), l'acidité ou l'alcalinité, ou encore les concentrations en oxygène et dioxyde de carbone.

Le laboratoire comprenait quatre petits béchers où avaient lieu les mesures. Après qu'un échantillon de sol était collecté par le bras robotique et déversé dans le bécher, ce dernier était mélangé à une solution, puis agité, et ce durant une journée environ. Des électrodes mesuraient la présence et la concentration de différents solutés. L'expérience se terminait avec l'ajout de deux pastilles réactives. La première pastille libérait de l'acide pour détecter d'éventuels carbonates et mesurer des espèces uniquement solubles en milieu acide. La seconde pastille devait permettre de détecter des sulfates et des molécules oxydantes.

• Le second instrument était un ensemble de deux microscopes, qui devaient étudier les particules de sol à différents grossissements.
  • Le premier microscope, un microscope optique comme il en existe dans toutes les salles de TP, possédait une résolution de 4 microns par pixel. Des diodes électroluminescentes colorées (rouge, verte, bleue et ultraviolet) éclairaient les échantillons, ce qui permettait de faire ressortir les différents constituants du sol (particules minérales, glace d'eau, etc.).
  • Le second microscope était plus impressionnant que le premier : c'était un microscope à force atomique. Contrairement aux microscopes optiques ou électroniques, un microscope à force atomique n'étudie pas la matière en la voyant, mais plutôt en la touchant. Le principe d'un microscope à force atomique est assez simple : l'appareil utilise un capteur extrêmement petit (que les spécialistes appellent des pointes) pour sentir la surface d'un échantillon et en construire une représentation en 3D très précise. Baptisé FAMARS, ce microscope à force atomique devait permettre d'étudier le sol à l'échelle nanométrique, et devait observer des particules aussi petites que 10 nm. L'instrument comportait huit petites pointes attachées à des leviers très flexibles. Si un capteur était contaminé ou endommagé durant la mesure, un autre pouvait prendre sa place. Lorsque les huit capteurs étaient utilisés, le microscope à force atomique ne pouvait plus fonctionner. FAMARS fut le premier microscope à force atomique jamais envoyé sur Mars.

Avant d'être examinés par les microscopes optiques et à force atomique, les échantillons collectés par le bras robotique étaient déposés sur un porte-échantillon d'un genre particulier : une roue mobile portant 69 substrats différents, depuis des aimants jusqu'à des plaques collantes, des plaquettes pour déterminer la dureté, des fragments de textiles et de métaux, etc. Ce système permettait de générer différentes interactions entre les particules de sol et les substrats.

• Le dernier instrument du package MECA était une sonde permettant d'étudier la conductivité thermique et électrique du sol. Celle-ci était fixée sur la pelle du bras robotique et était enfoncée dans la tranchée creusée par le bras robotique.

L'expérimentation MECA était auparavant montée sur la sonde Mars Surveyor 2001. L'un des objectifs de cette mission était de préparer la venue de l'homme sur Mars, en déterminant les dangers potentiels de la surface martienne. Le package MECA devait notamment servir à caractériser la poussière, identifier les interactions indésirables avec les hommes et les systèmes électroniques (adhésion, abrasion, corrosion, toxicité, obstruction, radiations, courts-circuits) et permettre le design des systèmes d'habitations et des combinaisons spatiales pour les sorties extravéhiculaires (EVA). Il n'est pas certain que ces objectifs, décrits en détail ici, soient encore d'actualité, et ce malgré le projet d'exploration spatiale du président George Bush visant un retour sur la Lune et une exploration humaine de la planète rouge. Le seul objectif lié aux missions habitées semble être l'étude de la teneur en eau du sol par spectrométrie à neutrons, qui pourrait alors être extraite et utilisée par l'équipage.

Station météorologique (M.E.T.)

La station météorologique (en anglais Meteorological Station). Instrument réalisé par l'Agence spatiale canadienne.

L'ensemble météorologique, fourni par le Canada, comprenait des capteurs de pression et de température, ainsi qu'un Lidar, un instrument similaire à un radar mais utilisant des brèves émissions de lumière laser en lieu et place de impulsions d'ondes radio. Ce fut la première fois qu'une station météorologique renvoya des données depuis la région polaire nord de Mars.

La majorité des capteurs de température étaient montés sur un mât de 1,2 mètre de hauteur. Les capteurs de pression étaient quant à eux logés à l'intérieur de l'atterrisseur. Le système météorologique recueilla également les données provenant des thermocouples rivetés sur le bras robotique.

Le Lidar se trouvait au-dessus du corps de l'atterrisseur et servi à étudier les aérosols atmosphériques ainsi que les nuages de glace. Son fonctionnement est un peu similaire à celui du radar. Il émet des impulsions d'énergie et détecte leur écho lorsqu'elles sont réfléchies par différents obstacles. Contrairement au radar, le Lidar n'émet pas d'ondes radio, mais des impulsions de lumière laser (2 500 impulsions de lumière par seconde dans le proche infrarouge). Une diode laser envoya des flashs lumineux dont le retour fut chronométré de manière à localiser et à caractériser les nuages de glace et la poussière dans l'atmosphère martienne sur une courte distance (2 à 3 kilomètres). L'objectif principal de cet instrument était de déterminer la quantité de poussière en suspension dans l'atmosphère au-dessus du site d'atterrissage.