MARS SAMPLE RETURN:
le nouveau défi

En décembre dernier, après un voyage long de 3,2 milliards de kilomètres, la capsule japonaise Ayabusa2 ramenait sur Terre le tout premier échantillon d’un astéroïde. Malgré cet exploit technologique, l’Homme n’a encore jamais mis la main sur des roches prélevées sur une autre planète. Depuis les années 1980, la NASA et l’Agence Spatiale Européenne (ESA) collaborent pourtant au développement d’un projet qui pourrait bientôt réaliser cet exploit: la mission Mars Sample Return.

En décembre dernier, après un voyage long de 3,2 milliards de kilomètres, la capsule japonaise Ayabusa2 ramenait sur Terre le tout premier échantillon d’un astéroïde. Malgré cet exploit technologique, l’Homme n’a encore jamais mis la main sur des roches prélevées sur une autre planète. Depuis les années 1980, la NASA et l’Agence Spatiale Européenne (ESA) collaborent pourtant au développement d’un projet qui pourrait bientôt réaliser cet exploit: la mission Mars Sample Return.

Des rovers de plus en plus complexes

Depuis l’atterrissage de la mission Mars Pathfinder en 1997 et le déploiement de son rover d’une dizaine de kilos, les progrès de la robotique et la miniaturisation des instruments scientifiques ont permis la conception de robots de plus en plus complexes. A titre d’exemple, Perseverance, le rover qui s’est posé sur Mars ce 18 février, pèse plus d’une tonne pour presque trois mètres de longueur, et emporte un véritable laboratoire mobile.

Photo prise le 18 février dernier par le skycrane alors que celui-ci est en train de déposer Perseverance sur le sol martien. ©NASA
Photo de la SuperCam de Perseverance
Gros plan sur la tête du mât qui permet de distinguer l'instrument SuperCam avec sa large ouverture et en dessous les deux caméras principales Mastcam-Z encadrées par deux caméras utilisées pour la navigation. ©NASA/JPL-Caltech/Gregory M. Waigand

Pourquoi vouloir ramener des échantillons sur Terre?

Prenons l’exemple de la SuperCam qui équipe le rover Perseverance: cet ensemble de capteur en partie développés en France peut analyser la composition des roches à distance grâce à deux lasers couplés à quatre spectromètres! Avec un tel arsenal scientifique, on pourrait donc se demander pourquoi vouloir analyser des échantillons sur Terre?

Schéma présentant l'implantation des différents instruments sélectionnés en juin 2015. Les drapeaux signalent les participations étrangères. ©NASA

Les intérêts de la mission MSR

Ramener des échantillons de Mars offre de nombreux avantages par rapport aux laboratoires mobiles comme celui de la mission Mars Science Laboratory (MSL) et son rover Curiosity. En effet, certains équipements comme les microscopes électroniques ne sont pas encore suffisamment miniaturisés pour pouvoir être intégrés à un astromobile.  

Par ailleurs, plus d’un demi-siècle après la fin des missions Apollo, les 382 kilos de roches lunaires ramenées sur Terre continuent d’être étudiés et profitent régulièrement des nouveaux outils d’analyse mis au point par nos chercheurs. 

Disposer d’échantillons de roches martiennes dans nos laboratoires permettrait donc d’effectuer des analyses plus poussées tout en nous affranchissant des contraintes de temps et d’espace liées aux rovers d’exploration.

Schéma présentant l'implantation des différents instruments sélectionnés en juin 2015. Les drapeaux signalent les participations étrangères. ©NASA
Coucher de soleil martien
Coucher de soleil sur Mars. Image prise par Spirit dans le Cratère Gusev. Les fines particules de poussières en suspension dans l'atmosphère donnent la couleur bleutée aux couchers de soleil martiens. ©NASA - Mars Exploration Rover

Atterrir sur Mars, une opération encore risquée

Malgré les progrès techniques des missions de retour d’échantillons robotisées comme Chang’e, Mars présente de nombreuses différences avec notre satellite naturel. Tout d’abord, au plus proche de la Terre, la planète rouge reste 140 fois plus éloignée, et ce lors d’une fenêtre de tir qui ne se présente qu’une fois tous les deux ans. 

De plus, contrairement à la Lune, notre voisine rocheuse possède une atmosphère rendant l’atterrissage délicat et une gravité deux fois plus importante qui complique le renvoi des échantillons vers la Terre. 

Vous l’aurez compris, ramener des échantillons de Mars nécessite donc plus de carburant, plus de temps, et pour relever ce nouveau défi technologique, les scientifiques ont donc choisi de procéder en plusieurs étapes pour la mission MSR.

Coucher de soleil martien
Coucher de soleil sur Mars. Image prise par Spirit dans le Cratère Gusev. Les fines particules de poussières en suspension dans l'atmosphère donnent la couleur bleutée aux couchers de soleil martiens. ©NASA - Mars Exploration Rover

Perseverance, le lancement de la mission MSR

Fraîchement arrivé sur Mars, le rover vient d’ailleurs de lancer le coup d’envoi de cette mission qui s’étalera au minimum sur dix ans! En effet, le successeur de Curiosity est équipé d’une nouvelle foreuse à tête creuse qui doit permettre la récupération de petites carottes de roches martiennes. 

Sous le robot américain, un ensemble d’une quarantaine de tubes de la taille d’un cigare seront utilisés pour stocker les précieux prélèvements. Une fois hermétiquement scellés, les échantillons seront déposés à même le sol en attendant qu’une seconde mission viennent les récupérer.

Tubes emportés par le rover Perseverance
Des ingénieurs de la NASA vérifient que les tubes dans lesquels Perseverance placera les échantillons de sol sont totalement stériles. Le rover d'une tonne prélèvera jusqu'à 43 carottes de 13mm de diamètre sur 6 cm de long. Les tubes scellés après remplissage seront rangés dans un compartiment situé sous la partie avant du rover, avant d'être déposés dans un endroit identifié avec précision pour pouvoir être collectés par la mission MSR. ©NASA
Cette illustration montre l'atterrisseur de la mission MSR arrivant à la surface de Mars. La NASA et l'Agence spatiale européenne (ESA) travaillent sur la mission de retour d'échantillons pour ramener sur Terre les échantillons prélevés par le rover Mars 2020 de la NASA. ©NASA/JPL-Caltech
Dessin du Earth Return Orbiter
Le contrat principal pour construire l'ERO a été attribué à Airbus. Le vaisseau devra effectuer un rendez-vous en orbite martienne avec la capsule de la NASA contenant les échantillons prélevés par le rover Perseverance. Il servira aussi de relai pour les communications lors de la mission MSR. ©ESA

Une deuxième étape particulièrement complexe

Il faudra attendre au moins cinq ans avant de voir décoller la mission chargée de récupérer les échantillons de Perseverance. Nommée SRL (Sample Retrieval Lander, ou Atterrisseur et Collecteur d’Échantillons en français), elle sera composée d’un atterrisseur, d’un petit rover et d’une mini-fusée et arrivera sur Mars tardivement (été 2028) pour éviter les tempêtes de poussières globales de l’hiver martien. 

Lancé quasi simultanément en 2026, un orbiteur européen nommé ERO (Earth Return Orbiter) se placera en orbite martienne quelques mois plus tôt afin d’assurer le relais des télécommunications entre la Terre et les engins déployés sur le sol martien.

 

Dessin du Earth Return Orbiter
Le contrat principal pour construire l'ERO a été attribué à Airbus. Le vaisseau devra effectuer un rendez-vous en orbite martienne avec la capsule de la NASA contenant les échantillons prélevés par le rover Perseverance. Il servira aussi de relai pour les communications lors de la mission MSR. ©ESA
Sample Fetch Rover
Dessin du Sample Fetch Rover (SFR) qui sera chargé de collecter les tuber déposés sur Mars par Perseverance grâce à un système de navigation autonome, avant de les placer dans le Mars Ascent Vehicle (MAV) de la NASA. ©ESA

Comment récupérer les échantillons collectés?

Pour récupérer les échantillons, l’atterrisseur de la mission SRL devra se poser sur Mars avec une précision inédite et une marge d’erreur de seulement vingt mètres. Une fois en sécurité à proximité des échantillons à collecter, un mini-rover nommé SFR (Sample Fetch Rover) sera déployé pour collecter les tubes laissés au sol par la mission Mars 2020, avant des les transférer dans un container qui sera lui-même placé à bord d’une mini-fusée nommée MAV (Mars Ascent Vehicle). 

Après la vérification de ses instruments de navigation, le MAV utilisera l’atterrisseur SRL comme pas de tir et profitera de la faible gravité et de la fine atmosphère martienne pour rejoindre l’orbite basse de Mars et y effectuer son rendez-vous avec la sonde européenne ERO.

 

Animation du Sample Fetch Rover (SFR) qui sera chargé de collecter les tuber déposés sur Mars par Perseverance grâce à un système de navigation autonome, avant de les placer dans le Mars Ascent Vehicle (MAV) de la NASA. ©ESA

Le transfert des précieux tubes

Insérée en orbite martienne haute autour de Mars en 2027, la mission européenne ERO utilisera ses propulseurs ioniques pour progressivement baisser son orbite pour atteindre son altitude finale en juillet 2028. Cette méthode plus longue est plus économique en carburant et permet donc de limiter la masse lors du lancement, qui doit d’ailleurs avoir lieu à bord d’une fusée Ariane lancée depuis la Guyane. 

De 2028 à 2029, l’orbiteur servira de relais pour les communications avec les différents engins présents sur Mars, notamment Perseverance, l’atterrisseur SRL et le mini-rover SFR. Courant 2029, les ingénieurs de la NASA auront une fenêtre de quatre mois pour lancer la mini-fusée MAV et effectuer le rendez-vous en orbite basse avec le vaisseau Européen.

Illustration de la fusée MAV
La fusée MAV largue le container d'échantillons qui doit être récupéré par la sonde spatiale ERO. ©NASA/JPL-Caltech
Schéma des différentes étapes de la mission Mars Sample Return
Schéma des différentes étapes de la mission Mars Sample Return (MSR) ©ESA
Composants de l'ERO
Une vue d'artiste du vaisseau spatial Earth Return Orbiter de l'ESA qui fait partie de la série de missions Mars Sample Return pour ramener des échantillons de Mars. L'image montre les différents éléments qui composeront l'orbiteur. Le conteneur de la taille d'un ballon de basket accueillera les échantillons martiens. Le module d'insertion orbitale sera quant à lui éjecté pour économiser de la masse au retour sur Terre. Enfin, tout à droite se trouve la capsule qui protégera les échantillons lors de la réentrée atmosphérique sur Terre. ©ESA

L'Europe ramènera les premiers grammes de sol martien!

En effet, le 14 octobre dernier, en signant un contrat de 491 millions d’euros, l’ESA a confié à Airbus la construction du véhicule chargé de ramener les précieux échantillons martiens sur Terre. Long de 6 mètres et pesant plus de 6 tonnes au décollage, l’ERO sera muni de panneaux solaires d’une quarantaine de mètres d’envergure pour 144 mètres carrés de surface! 

Après avoir récupéré les tubes collectés sur Mars, le vaisseau européen quittera l’orbite martienne pour revenir sur Terre, devenant ainsi le premier engin spatial à effectuer un aller-retour avec Mars. 

A l’approche de notre planète, la sonde spatiale larguera les échantillons de sols martiens protégés lors de la réentrée atmosphérique par une petite capsule fournie par la NASA. Le retour des échantillons étant prévu pour 2031, ce scénario de mission qui inclut un double lancement en 2026 est aussi surnommé “26-26-31”.

 

Composants de l'ERO
Une vue d'artiste du vaisseau spatial Earth Return Orbiter de l'ESA qui fait partie de la série de missions Mars Sample Return pour ramener des échantillons de Mars. L'image montre les différents éléments qui composeront l'orbiteur. Le conteneur de la taille d'un ballon de basket accueillera les échantillons martiens. Le module d'insertion orbitale sera quant à lui éjecté pour économiser de la masse au retour sur Terre. Enfin, tout à droite se trouve la capsule qui protégera les échantillons lors de la réentrée atmosphérique sur Terre. ©ESA
Planning de la mission Mars sample Return
Sur ce schéma sont représentées les différentes dates des lancements de la mission MSR. ©NASA
Selfie de la sonde Tianwen-1
A l'occasion de la fête nationale chinoise, l'orbiteur de la mission Tianwen-1 a éjecté un petit module équipé de deux caméras pour prendre ce "selfie" du vaisseau spatial, en chemin vers Mars à quelques 19 millions de kilomètres de la Terre (photo prise le premier octobre 2020) ©CNSA
Rover Tianwen-1
Animation d'animation du rover de la mission Tianwen-1. Le nom de l'astromobile doit être attribué d'ici quelques jours après un vote ouvert au public. ©CNSA

Mars: vers une nouvelle course spatiale?

Fort du succès de sa mission Tianwen-1, l’agence spatiale chinoise évoque elle aussi la possibilité de ramener des échantillons de Mars. Dans cette nouvelle course à l’espace qui semble se profiler, la Chine envisage un scénario “trois en un” similaire aux missions Chang’e

Sa future fusée Longue Marche 9 permettrait d’envoyer en un seul lancement un véhicule capable de collecter les échantillons et de les ramener sur Terre. Reste à savoir si la Chine parviendra à poser sans encombre le petit rover de la mission Tianwen-1, un exploit que vous pourrez suivre dans Le Journal De l’Espace et sur notre page Instagram!

Pierre-Henri Le Besnerais

Rover Tianwen-1
Animation d'animation du rover de la mission Tianwen-1. Le nom de l'astromobile doit être attribué d'ici quelques jours après un vote ouvert au public. ©CNSA
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[…] d’une mission robotisée similaire à Chang’e 5 pour tenter de rapporter sur Terre des échantillons de Mars avant d’y déposer les premiers chinois sur la planète […]

[…] Après chaque atterrissage, la priorité du quadricoptère sera de déployer son antenne parabolique pour transmettre les images de reconnaissance prises par DragonCAM, un groupe d’appareils photos qui permettra un premier repérage du terrain pour choisir des sites intéressants à analyser. Une fois posé sur le sol de Titan (probablement composé de sable organique, de glace d’eau ou d’hydrates d’ammoniac gelés), des capteurs intégrés aux patins du drone assisteront les ingénieurs de la mission à identifier la texture du sol, avant d’envoyer les instructions adaptées pour prélever des échantillons.  […]

Ibrahima Diallo

Article complet. Rien n’a rajouter

Le Breton Yann

Bonjour,
j’aurai une petite question ( certainement anecdotique vue l’ampleur de la tache!). Comment le Rover SFR saura/pourra retrouver les échantillons sur Mars cinq années après ?
Sans compte les tempêtes de sable qui peuvent recouvrir ou même déplacer les tubes, il y a t-il un moyen d’avoir des coordonnées GPS? cela implique d’avoir un méridien et un équateur de référence, est-ce le cas? Lors de atterrissage de Perseverance, j’avais cru comprendre qu’il n’y en avait pas.
Merci.