Phoenix (sonde spatiale)

Pour les articles homonymes, voir Phoenix.

Phoenix

La sonde Phoenix sur Mars (concept)

Caractéristiques

Organisation	NASA
Domaine	Observation de Mars
Masse	400 - 500 kg
Lancement	4 août 2007 à 09:26:34 UTC
Lanceur	Delta II
Fin de mission	2 novembre 2008

Informations générales

Programme	Programme Mars Scout
Index NSSDC	2007-034A
Site	http://phoenix.lpl.arizona.edu/

Principaux instruments

Robotic Arm	bras robotisé
Robotic Arm Camera	Caméra du bras robotisé
Surface Stereo Imager	imageur stéréo
Thermal and Evolved Gas Analyzer	analyseur de gaz
Mars Descent Imager	caméra de descente
Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer	analyseur microscopique et électrochimique
Meteorological Station	station météorologique

Phoenix est une mission du programme Scout et s'inscrit dans la stratégie de la NASA qui vise à faire de l'eau l'élément central de l'exploration robotique de Mars (following water). Cette mission se différencie et complète celle des deux astromobiles MER qui sont encore en activité sur Mars. Spirit et Opportunity étudient également le passé aquatique de Mars mais en explorant les roches, les cratères, les monticules de matières rocheuses et autres petites collines autour de leur site d'atterrissage.

Phoenix est un atterrisseur (lander) qui s'est posé sur Mars, le 25 mai 2008, à proximité de la calotte polaire Nord, dans la région de Vastitas Borealis où de vastes stocks de glace ont été détectés juste au-dessous de la surface (68° de latitude nord et 233° de longitude est). Il s'agit d'une plaine, apparemment dépourvue de blocs rocheux (ce que souhaite la NASA pour un atterrissage sans problème) et dont la température avoisine les –100 °C.

Phoenix reprend les composantes déjà réalisées de la sonde Mars Surveyor dont le programme avait été annulé en 2001 suite à l'échec de la mission Mars Polar Lander, d'où son nom qui fait référence au Phénix, l'oiseau fabuleux qui pouvait renaître de ses cendres. La durée de la mission était estimée à 3 mois au sol.

Phoenix a notamment permis de confirmer le 31 juillet 2008 la présence d'eau gelée sur le sol martien du pôle nord grâce à l'analyse d'un échantillon prélevé par le bras robotique de la sonde relevant des vapeurs dégagées par la chaleur^[1].

La dernière communication établie entre la Terre et la sonde Phoenix date du 2 novembre 2008. Elle est depuis considérée officiellement comme perdue, bien qu'un « mode Lazare », permettant de rebooter l'électronique de la sonde au terme de l’hiver martien, ait été prévu^[2],[3]. Sa mission aura au final duré plus de cinq mois.

Contexte

Objectifs scientifiques

Panneau solaire de la sonde Phoenix et bras robotique de l'atterrisseur avec un échantillon dans le godet.

Très classiquement, et dans la droite ligne des priorités de l'agence spatiale américaine pour l'exploration de Mars, Phoenix va chercher de l'eau ou plus exactement selon un communiqué officiel « enquêter sur l'histoire de l'eau liquide qui a pu exister dans l'arctique martien aussi récemment qu'il y a seulement 100 000 ans ».

On revient ainsi vers le thème d'une vie microbienne sur Mars, piste plutôt mise de côté après la déception des sondes Viking (qui se sont avérées « mal calibrées » les organismes extrémophiles étant alors méconnus). Car rappelons ici que Pathfinder et les deux astromobiles Spirit et Opportunity sont plus des missions de géologie que des investigations d'exobiologie. Avec Phoenix, la NASA aborde donc de nouveau frontalement cette question. D'ailleurs, un bras robotique devait fouiller le pergélisol jusqu'à 50 cm de profondeur afin de faire examiner les échantillons prélevés par un mini-laboratoire embarqué. Le but : déterminer si des microbes ont pu s'y développer dans le passé, notamment si de l'eau liquide était présente voici 100 000 ans. On envisage même que des colonies microbiennes particulièrement résistantes puissent toujours être présentes, « dormantes » dans le sous-sol et attendant de meilleures conditions. Il est vrai que, sur Terre, on a trouvé des bactéries extrémophiles capables de rester ainsi en sommeil durant des millions d'années^{[réf. nécessaire]}.

Atterrissage de la sonde Phoenix (concept)

Cependant, la découverte — hypothétique pour l'instant — de tels organismes ne constituait pas le premier objectif de la mission Phoenix. L'atterrisseur étudia aussi et surtout la météo des pôles et a pu photographier le paysage qui l'entourait en relief grâce à une caméra stéréo.

Autre aspect, donc, de la mission : la météorologie de la planète. Phoenix étudia l'atmosphère martienne jusqu'à 20 km d'altitude pour mettre à jour nos connaissances des processus atmosphériques. Les scientifiques ont pu observer un aspect remarquable du climat martien quand à chaque printemps, une masse importante de glace polaire se sublime et forme des nuages de glace. L'atterrisseur a fourni des données sur la formation, la durée et le mouvement des nuages, du brouillard et autres tempêtes de poussières.

Phoénix fut au cœur de plusieurs enjeux importants : première réalisation concrète d'un programme de type Scout, premier atterrissage proche du pôle Nord martien, retour des expériences d'exobiologie martienne à la NASA et de nouveau l'utilisation de rétrofusées pour se poser sur la Planète rouge. En bref, une mission de 420 millions de dollars (soit 304 millions d'euros) riche en ambitions et espoirs.

Historique du projet

Le programme est dirigé par l'Université d'Arizona sous la tutelle de la NASA et le lancement de la sonde a lieu le 4 août 2007 ^[4] par une fusée Delta II depuis la Cape Canaveral Air Force Station, la fenêtre de tir s'étendait sur 22 jours — pour une arrivée en mai 2008.

Le 10 avril 2008, la trajectoire de la sonde est corrigée en vue d'un atterrissage sur le site de Green Valley^[5].

Déroulement de la mission

Phoenix, vu par Mars Reconnaissance Orbiter, suspendu à son parachute pendant sa traversée de l'atmosphère martienne

Lancement et transit vers Mars

Atterrissage

La sonde Phoenix se pose de façon nominale sur le sol martien le 25 mai 2008 à 23 h 38 UTC. Le signal radio confirmant la réussite de son atterrissage est reçu sur Terre à 23 h 53 UTC, après un délai de transmission de 15 minutes^[6].

Les sondes spatiales Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter et Mars Express ont modifié leurs trajectoires afin d'être au-dessus de Phoenix au moment de son atterrissage. En cas d'échec de la mission, la présence de ces trois orbiteurs aurait permis à la NASA de récupérer suffisamment de données pour comprendre ce qui s'était passé^[7].

Les opérations sur le sol de Mars

Fin de la mission

L'hiver martien est très rigoureux principalement à cause d'une sérieuse baisse du niveau d'éclairage reçu à la surface de la planète. Les panneaux solaires de la sonde ne peuvent donc plus fournir assez d'énergie pour lui permettre de fonctionner et d'alimenter ses systèmes de préservation (chauffage pour protéger les instruments du froid).

Courant 2010, la sonde Mars Reconnaissance Orbiter prend une photo du site d'atterrissage de Phoenix et constate qu'elle a perdu un panneau solaire (qui a probablement cédé sous le poids de la glace) et qu'elle est totalement sombre donc probablement recouverte de poussière^[8].

Résultats scientifiques

Différentes prises de vues réalisées par Phoenix ont montré la disparition d'une matière blanche contenue dans une tranchée creusée par le bras robotisé de la sonde. La NASA a affirmé que cette matière est de la glace d'eau qui s'est sublimée suite à son exposition au soleil^[9].

Le 31 juillet 2008 la présence d'eau gelée dans le sol martien du pôle nord est confirmée, grâce à l'analyse d'un échantillon prélevé par le bras robotique de Phoenix, relevant des vapeurs dégagées par la chaleur. L'existence de cette glace d'eau était déjà connue grâce aux observations de Mars Odyssey et de Phoenix réalisées en juin 2008^[1].

• 

  Les deux premières tranchées creusées par la pelle de Phoenix dans le sol martien. .

• 

  Le matériau brillant découvert dans la tranché disparut au bout de quatre jours : il s'agissait de glace qui s'est évaporée par sublimation après avoir été exposée

• 

  Version en couleur des photos montrant la sublimation de la glace.

Caractéristiques de la sonde spatiale

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.

A l'époque de son lancement, Phoenix dispose de 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.

Les composants de la sonde spatiale : A = bouclier thermique, B = Radar atterrissage , C = Atterrisseur, D = Bouclier arrière , E = Étage de croisière

L'étage de croisière

L'étage de descente

L'atterrisseur

Atterrisseur : 1 = Panneau solaire, 2 = Bras télécommandé, 3 = caméra du bras, 4 = Caméra SSI, 5 = Station météorologique MET, 6 = Caméra de descente MARDI, 7 = Laboratoire MECA , 8 = Analyseur de gaz TEGA

Les instruments scientifiques

Bras robotisé (R.A.)

Le bras robotisé (en anglais Robotic Arm)^[10]. 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 dispose de quatre degrés de liberté, et peut exercer une force de 80 newtons.

Caméra du bras robotisé (R.A.C.)

La caméra du bras robotisé (en anglais Robotic Arm Camera)^[11]. 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)^[12]. 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)^[13]. 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 CO₂, 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)^[14]. 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 pris 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^[15].

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)^[16]. 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.

Notes et références

Références

Bibliographie

• (en) Barry Goldstein et Robert Shotwell, « Phoenix – The First Mars Scout Mission », dans IEEEAC,, ,, n^o #1579,, 2008, p. 17 (ISSN 1-4244-1488-1,) [texte intégral]
  Déroulement du projet
   
• (en) Mark D. Garcia et Kenneth K. Fujii, « Mission Design Overview for the Phoenix Mars Scout Mission », dans AAS,, ,, vol. 07, n^o 247,, 2007, p. 15 (ISSN ,) [texte intégral]
  Déroulement du projet
   
• (en) P.H Smith et all, « Introduction to special section on the Phoenix Mission: Landing Site Characterization Experiments, Mission Overviews, and Expected Science », dans JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH,, ,, vol. 113, n^o E00A18, 15 octobre 2008, p. 16 (ISSN ,) [texte intégral, lien DOI]
  Présentation du projet, des expériences embarquées et des résultats attendus
   
• (en) Jim Taylor et Stan Butman et all, « Phoenix Telecommunications », dans DESCANSO Design and Performance Summary Series,, NASA/JPL,, n^o ,, aout 2010, p. 138 (ISSN ,) [texte intégral]
  Description détaillée des équipements de télécommunications
   
• (en) « Phoenix Launch Mission to the Martian Polar North », dans ,, NASA/JPL,, n^o ,, aout 2007, p. 48 (ISSN ,) [texte intégral]
  Présentation pour la presse de la mission dans le cadre du lancement de Phoenix
   
• (en) « Phoenix Landing Mission to the Martian Polar North », dans ,, NASA/JPL,, n^o ,, mai 2008, p. 47 (ISSN ,) [texte intégral]
  Présentation pour la presse de la mission dans le cadre de l'atterrissage sur Mars de Phoenix
   

Voir aussi

Articles connexes

• Programme Mars Scout
• Planète Mars
• Mars Polar Lander
• Exploration de la planète Mars

Liens externes

• (en) Site officiel du programme Phoenix
• (en) La mission Phoenix sur le site de la NASA (premières photos)
• (fr) Description de la mission Phoenix sur le site de Philippe Labrot
• (en) synthèse du projet et des résultats obtenus (Scientific American)
• (fr) Phoenix, premier explorateur polaire sur Mars (audio), les podcasts de Ciel & Espace radio, François Forget
• (fr) Vidéo de la conférence à la cité des sciences : Atterrissage en direct sur Mars.

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