A l'origine, la mission Mars Surveyor 2001 comprenait un orbiteur et un atterrisseur, mais une mission précédente (Mars Surveyor 98) allait en décider autrement. Le 23 septembre 1999, la NASA perdait la sonde Mars Climate Orbiter à la suite d'une erreur incroyablement stupide de navigation. L'agence spatiale américaine, qui fait alors la risée du monde entier, décide de se reprendre en consacrant toute son énergie sur Mars Polar Lander. Mais en dépit de tous ses efforts, le petit atterrisseur connaîtra le même destin que son infortuné compagnon. Trois mois après le crash de Mars Climate Orbiter, il s'évanouit sans laisser de traces au-dessus des terres polaires australes.

Humiliée et déshonorée, la NASA stoppe en toute hâte les missions qu'elle prévoyait de lancer dans un futur proche vers la planète rouge, avant d'annoncer une refonte globale de son programme d'exploration martien. Tous les regards se portent alors sur la mission Mars Surveyor 2001, qui devait logiquement suivre Mars Surveyor 98. Les responsables de la NASA estiment assez rapidement que l'orbiteur peut toujours être envoyé vers Mars. La perte de Mars Climate Orbiter est due à une erreur de navigation et son design, sur lequel s'appuie l'orbiteur de 2001, n'est pas remis en cause. On ne peut malheureusement pas en dire autant de l'atterrisseur.

A la suite de l'absence de données télémétriques pendant la phase de descente, la cause de la disparition de Mars Polar Lander demeure inconnue. Mais les ingénieurs se rendent rapidement compte que la plate-forme de l'atterrisseur polaire était littéralement criblée de vices et de défauts de conception. Manque de chance, l'atterrisseur de Mars Surveyor 2001 est une copie carbone de Mars Polar Lander. C'est d'ailleurs en effectuant un test sur l'atterrisseur de Mars Surveyor 2001 que l'on a découvert le bug fatal qui aurait coûté la vie à Mars Polar Lander. A 40 mètres au-dessus de la surface martienne, l'ordinateur de bord aurait coupé prématurément les rétrofusées, obligeant l'atterrisseur à parcourir en chute libre les quelques dizaines de mètres qui le séparait encore de la terre promise ...

Après le désastre de 1999, tout le monde attend la NASA au tournant. L'échec n'est désormais plus une option possible et si une autre mission échoue, l'agence spatiale américaine risque bien de ne pas pouvoir se relever. La décision est donc prise de clouer au sol l'atterrisseur de Mars Surveyor 2001, alors que celui-ci est assemblé à plus de 60 % !

Le sort de l'atterrisseur est d'abord incertain. La NASA annonce que celui-ci n'est pas perdu, et qu'il partira lors de la prochaine opportunité de lancement en 2003, avec seulement deux années de retard. Mais une sentence beaucoup plus lourde sera finalement prononcée à son encontre. L'atterrisseur est condamné à la cannibalisation ! Il va être démantelé en une montagne de pièces détachées dans laquelle les ingénieurs qui travailleront sur les futures missions pourront piocher à loisirs ...

Amputé de son atterrisseur, la mission Mars Surveyor 2001 ne comprend donc plus aujourd'hui qu'un orbiteur, auquel nous allons maintenant nous intéresser. Les curieux qui voudraient savoir à quoi ressemblait l'atterrisseur déchu de Mars Surveyor 2001 pourront en trouver ici une longue (et triste) description.

La sonde

L'orbiteur orphelin de la mission Mars Surveyor 2001 a été baptisé 2001 Mars Odyssey en hommage au film « 2001, l’Odyssée de l’espace » réalisé par le fameux cinéaste Stanley Kubrick et tiré de la nouvelle de science-fiction "la sentinelle" du non moins célèbre Arthur C. Clarke. Pour la NASA, Mars Odyssey n'évoque cependant pas seulement le chef d’œuvre immortel de Kubrick. En jetant son dévolu sur un nom aussi symbolique, l'agence spatiale américaine espère bien que Mars Odyssey va inaugurer une nouvelle ère de l’histoire de l’exploration martienne, ou les déboires de la mission Mars Surveyor 98 (que nous avons sommairement évoquer) ne seront plus qu’un lointain souvenir …

Mars Odyssey mesure 2,2 mètres de long pour 2,6 mètres de large et 1,7 mètres de haut. Au moment du lancement, l'orbiteur pèsait 725 kilogrammes répartis comme suit : 332 kilogrammes pour la sonde elle-même, 349 kilogrammes de propergols et 44,5 kilogrammes de charge utile (les instruments scientifiques).

L'orbiteur tire son énergie d'un ensemble de trois panneaux solaires. Ces derniers offrent une surface totale de 7 m² et sont capables de délivrer une puissance de 750 watts au voisinage de Mars. Des batteries nickel-hydrogène, rechargées par les panneaux solaires, alimentent la sonde pendant les périodes d'obscurité. Pour communiquer avec la Terre, Mars Odyssey utilise la bande X, tandis que les transmissions avec les futurs atterrisseurs martiens seront assurées par liaison UHF.

Du point de vue propulsion, Mars Odyssey possède un moteur principal utilisé pour la mise en orbite, et un ensemble de moteurs de contrôle d'attitude pour les changements d'orientation dans l'espace et les manœuvres de correction de trajectoire (TCM). Le moteur principal brûle un mélange d'hydrazine et de tetroxide d'azote.

Mars Odyssey s'appuie sur trois systèmes différents pour connaître son orientation dans l'espace : un capteur solaire pour localiser le Soleil, une caméra stellaire pour se repérer aux étoiles, et enfin une plate-forme de navigation inertielle. Quand un changement d'attitude est nécessaire, la sonde utilise un ensemble de quatre roues à réaction (trois principales et une de secours). Une roue à réaction est un dispositif capable d'appliquer un couple au satellite (en physique, un couple désigne une force qui tend à mettre un solide en rotation). Les roues à réaction sont périodiquement désaturées par l'allumage des moteurs de contrôle d'attitude.

La mission

La fenêtre de tir pour Mars Odyssey s'est ouverte le 7 avril 2001, date à laquelle la sonde a été lancée avec succès par une fusée Delta II 7925 (McDonnel Douglas) depuis le pas de tir n°17 du centre spatial de Cap Canaveral en Floride (notons que le lancement aurait du avoir lieu depuis la base de l'US Air Force de Vanderberg, Cap Canaveral ayant été initialement réservée pour l'atterrisseur).

Au cours du trajet Terre - Mars, la sonde a exécuté quatre manœuvres de correction de trajectoire (TCM). Les communications avec la Terre s'effectuaient grâce aux antennes faible gain (LGA) et moyen gain (MGA). L'antenne à grand gain a également été utilisée à quelques reprises durant le voyage. Mars Odyssey a mis six mois et demi pour parcourir les 460 millions de kilomètres qui la séparait de la planète rouge.

La mise en orbite Mars a eu lieu le 24 octobre 2001 à 4h26 (heure française). A l'issue d'une manœuvre propulsive de 20 minutes, la sonde s'est insérée sur une orbite d'une période de 18 heures et 36 minutes (la technique de l'aérocapture avait d'abord été retenue avant d'être annulée). La précision de la mise en orbite a été diabolique, puisque le point d'insertion a été atteint à un kilomètre près !

Le samedi 27 octobre 2001, soit trois jours seulement après la mise en orbite, Mars Odyssey a entamé 3 longs mois d'aérofreinage. Cette technique délicate, validée par la sonde Mars Global Surveyor, consiste à effleurer à maintes reprises les hautes couches de l'atmosphère martienne pour modifier les paramètres orbitaux. Au cours de l'aérofreinage, les ingénieurs du JPL ont du composer avec une gigantesque tempête de poussière, qui avait pris naissance plusieurs mois auparavant à proximité du bassin d'Hellas.

Après avoir plongé à 322 reprises dans la couche d'air ténu qui entoure la planète Mars, Mars Odyssey a terminé avec succès son freinage atmosphérique le 11 janvier 2002. L'orbite suivie par Mars Odyssey n'était cependant pas encore tout à fait celle désirée par les scientifiques. Le périapse (point de l'orbite le plus proche de la planète) était à 201 kilomètres de la surface martienne, tandis que l'apoapse (point de l'orbite le plus éloigné de la planète) était situé à 500 kilomètres d'altitude. Au cours des deux semaines qui ont suivi la fin de l'aérofreinage, les navigateurs ont affiné l'orbite pour lui donner sa forme définitive : un cercle presque parfait (périapse situé 400 km) parcouru en 2 heures et passant par les pôles (inclinaison de 91,3°).

La mission principale de Mars Odyssey va durer 917 jours terrestres. Mars Odyssey jouera ensuite le rôle de relais de transmission pour les futurs atterrisseurs martiens pendant 457 jours terrestres, ce qui porte la durée totale de la mission à 1374 jours (soit deux années martiennes).

La charge scientifique

Trois instruments scientifiques seront embarqués sur l'orbiteur. L'instrument THEMIS étudiera la minéralogie et la morphologie de la surface martienne grâce à une caméra haute résolution et un spectromètre infrarouge. Le GRS s'attaquera à la composition élémentaire de la surface martienne tandis que l'instrument MARIE étudiera le niveau de radiations pendant le trajet Terre - Mars, ainsi qu'au voisinage de la planète.

Dans un premier temps, les conditions d'illumination et le débit possible pour le transfert des données vont privilégier l'instrument THEMIS. Ces mêmes conditions seront défavorables pour le GRS. Quant à l'expérience concernant les radiations, elle aura lieu en permanence (l'instrument étant indépendant des conditions rencontrées). Au cours de la mission, les conditions vont évoluer et la situation deviendra alternativement favorable à l'un ou l'autre des instruments (THEMIS et GRS). Approximativement 500 jours après la capture, les équipes au sol modifieront légèrement l'inclinaison de l'orbite.

Le spectromètre gamma GRS

Hérité de la sonde Mars Observer et composé de trois instruments (un spectromètre gamma et deux spectromètres à neutrons), le GRS devra dresser la carte globale de la composition élémentaire de la surface martienne avec une précision d'au moins 10%. La résolution spatiale de l'instrument est de 300 km. L'appareil sera capable d'identifier une vingtaine d'éléments majeurs (dont le silicium, l'oxygène, le fer, le magnésium, le potassium, l'aluminium, le calcium, le soufre et le carbone), ainsi que des éléments mineurs et des éléments de trace. Il devra aussi étudier la distribution de l'eau en surface et déterminer sa présence dans le proche sous-sol, mesurer la composition élémentaire des calottes polaires permanentes et évaluer l'épaisseur des calottes polaires saisonnières et leurs variations au cours du temps. Le GRS se livrera aussi à quelques mesures d'astrophysiques en étudiant les sursauts gamma, ces fameuses bouffées de rayons gamma qui illuminent pendant des instants très brefs la voûte céleste.

Principe de la spectrométrie gamma

Le GRS va mesurer l'abondance et la distribution des différents atomes qui constituent la surface martienne en enegistrant le rayonnement gamma qu'ils ne cessent d'émettre. Certains éléments, comme l'uranium, le thorium ou le potassium émettent naturellement des rayons gamma au cours de leur désintégration radioactive. Les autres éléments peuvent également émettre des bouffées de rayons gamma, mais uniquement s'ils sont frappés par un flux de neutrons.

Fort heureusement, Mars Odyssey n'aura pas à bombarder la surface martienne avec un puissant canon à neutrons. Ces derniers sont effectivement produit par l'interaction des rayons cosmiques avec la matière. Cette réaction, que les physiciens dénomment spallation, donne effectivement naissance à des neutrons plus ou moins énergétiques. Ceux-ci interagissent ensuite avec les noyaux atomiques selon deux phénomènes distincts. Un neutron peut premièrement rebondir sur un noyau en lui transmettant une partie de son énergie (phénomène de diffusion élastique). Lors du retour à l'état fondamental, le noyau se débarrasse de son surplus d'énergie en émettant des rayons gamma. Le neutron peut aussi être capturé (capture neutronique) pour former un noyau instable, qui ne tardera pas à se désintégrer par radioactivité. Là encore, il y aura émission de rayons gamma. Quelle que soit le mode d'émission, l'énergie des rayons gamma est toujours caractéristique de l'élément excité par les neutrons. En étudiant ce rayonnement, on peut non seulement identifier avec certitude les éléments chimiques, mais aussi évaluer avec une assez bonne précision leur concentration respective.

Difficultés de la spectromètre gamma

Des données sommaires et incomplètes sur la composition élémentaire de la croûte martienne ont déjà été recueillies par les spectromètres gamma de deux sondes soviétiques. Les instruments GS-14 et VGS de la sonde  Phobos 2 avaient permis de détecter du potassium, de l'uranium et du thorium, de même que le spectromètre gamma de la sonde Mars 5.

La spectrométrie gamma possède une particularité : la durée des mesures influence grandement leur précision. S'il est possible de connaître l'abondance de certains éléments après quelques jours d'observations, la plupart nécessitent plusieurs mois d'opérations continues. Or les deux sondes russes n'ont pas eu une durée de vie suffisante pour détecter sans ambiguïté d'autres éléments que les trois que nous avons cité. Leur mission s'est effectivement achevée de manière prématurée : Après 52 orbites, le contact radio avec Phobos 2 fut perdu de manière définitive. Quant à Mars 5, elle ne put parcourir que 22 orbites avant qu'un problème de dépressurisation ne mette fin à sa mission. Les scientifiques espèrent donc que le GRS pourra fonctionner pendant une période suffisamment longue pour détecter tous les éléments de la surface martienne.

Notons que la surface martienne n'est pas la seule à émettre des rayons gamma et tous les matériaux dans l'espace se comportent de la même manière. Pour isoler l'instrument des rayons gamma parasites produits par la structure métallique (en particulier l'aluminium) de l'orbiteur, le capteur du GRS est fixé à l'extrémité d'une perche de 6 mètres de longueur.

Pour fonctionner, le détecteur au germanium doit être maintenu à une température très basse (-193°C). Sur Terre, on utilise habituellement de l'azote liquide pour descendre à cette température. Heureusement, Mars Odyssey dispose d'une source de froid inépuisable : le milieu spatial lui-même. Pour amener le détecteur à sa température de fonctionnement, celui-ci est donc simplement exposé au vide spatial.

Si le froid est indispensable à la bonne marche du spectromètre gamma, ce dernier aura aussi paradoxalement besoin périodiquement d'une chaleur intense. Le détecteur au germanium reçoit effectivement un flux constant de particules énergétiques en provenance du soleil et du milieu galactique. Ces particules vont finir par altérer la structure du cristal et diminuer sa résolution spectrale. Il est heureusement possible de redonner un coup de jeune au cristal en le recuisant, c'est à dire en l'exposant à une température de 100°C pendant quelques dizaines d'heures. C'est pourquoi le capteur du spectromètre gamma est équipé d'un revêtement thermique et d'une trappe mobile. Ouverte pendant les mesures, la trappe est refermée au moment des cuissons.

Les spectromètres à neutrons

Deux spectromètres à neutrons complètent le GRS de Mars Odyssey. Le premier, baptisé simplement NS, peut détecter une large gamme de neutrons, qu'ils soient peu énergétiques (neutrons thermiques), moyennement énergétiques (neutrons épithermiques) ou très énergétiques (neutrons rapides). Son compagnon, le détecteur HEND, s'occupe uniquement les neutrons de haute énergie.

Ces deux spectromètres mesureront l'abondance de l'hydrogène dans le sous-sol, et ce jusqu'à une profondeur de 1 mètre. L'hydrogène a effectivement la particularité de ralentir les neutrons rapides et d'absorber les neutrons de basse énergie. Ces deux types d'interaction seront enregistrés par les spectromètres neutroniques, ce qui permettra de détecter en retour la présence d'hydrogène dans le sol martien. L'hydrogène étant le constituant essentiel de la molécule d'eau, sa découverte sera synonyme de présence d'eau sous la surface martienne. Notons que le spectromètre gamma est également capable de mesurer la teneur en hydrogène du sous-sol, mais son rayon d'action est moindre : il ne peut pénétrer la surface martienne que sur une profondeur de 15 centimètres.

Outre leur rôle de détecteur d'hydrogène, les spectromètres NS et HEND mesureront également le flux neutronique émis par la structure de l'orbiteur, ce qui permettra en retour de calibrer finement le spectromètre gamma.

La collaboration française

Bien que la NASA ne s'en vante pas (en tout cas sur son site Internet ou dans ses communiqués de presse), il faut savoir que le spectromètre gamma est le fruit d'une collaboration entre la France et les Etats-Unis. La France, par l'intermédiaire du Centre National d'Etudes Spatiales (CNES), est effectivement impliquée dans le financement et le développement de l'instrument (le détecteur au germanium a en particulier été fabriqué par une société strasbourgeoise, Eurisys), ainsi que dans la préparation des opérations. En contrepartie de leur collaboration, les scientifiques français auront un accès total aux données du GRS.

Le spectro-imageur THEMIS

Tout comme le TES de la sonde Mars Global Surveyor, l'instrument THEMIS (Thermal Emission Imaging System) réalisera une cartographie des ressources minéralogiques de la planète Mars grâce à un spectromètre fonctionnant dans l'infrarouge thermique. Il sera capable d'identifier tous les minéraux, pour peu que leur abondance soit supérieure à 10 voire 5 % THEMIS prendra des images infrarouges de la surface (10 bandes spectrales de 6,5 à 15,5 microns) avec une assez haute résolution (100 mètres par pixel contre 3 km pour le TES de MGS). La position précise des bandes spectrales sera déterminée d'après les résultats fournis par le TES de Mars Global Surveyor. THEMIS devrait pouvoir détecter des carbonates, des silicates, des hydroxydes, des sulfates, des oxydes et des phosphates.

THEMIS inclut aussi une caméra fonctionnant dans le domaine du visible (5 bandes spectrales, de 0,425 à 0,8 microns), qui fournira des images avec une résolution de 20 mètres par pixel. Cette caméra va permettre d'obtenir jusqu'à 15000 images de la surface de Mars, chacune d'elles couvrant une zone de 20 km sur 20 km.

Les images fournies par THEMIS permettront de déterminer la minéralogie et la pétrologie des environnements hydrothermaux ou fluviaux (comme les anciens lacs aujourd'hui asséchés) et d'identifier des sites les plus intéressants pour la collecte d'échantillons destinés à revenir sur Terre. Nous pourrons également étudier à une petite échelle les processus géologiques et les caractéristiques des sites d'atterrissage en se basant sur les propriétés morphologiques et thermophysiques de la surface. Enfin, grâce à son capteur infrarouge, THEMIS sera capable de détecter pendant la nuit des anomalies thermiques (points chauds), c'est à dire les bouffées de chaleur dégagées par certains phénomènes comme une coulée de lave fraîche émise par un volcan en éruption ou le brusque jaillissement en surface d'une source hydrothermale.

Après l'annonce de la découverte d'écoulements géologiquement récents à la surface de la planète Mars, la NASA a indiqué que l'instrument THEMIS allait être parfaitement adapté à l'étude des "sources" martiennes, et qu'il allait permettre de confirmer la thèse des écoulements en détectant des minéraux dont la formation implique la présence d'eau liquide. Pour ma part, je trouve cette affirmation exagérée. Même s'il possède une résolution spatiale supérieure au TES de Mars Global Surveyor, THEMIS est loin d'avoir la précision requise pour étudier les ravinements, qui sont très localisés. La charge utile de la sonde Mars Express (en particulier le radar) semble de ce point de vue plus appropriée.

MARIE

L'instrument MARIE (Martian Radiation Environment Experiment) étudiera le niveau de radiations au voisinage de la planète Mars, l'objectif final étant de quantifier les risques auxquels s'exposeront les équipages des prochaines missions habitées. Contrairement à la Terre, la planète Mars est sévèrement exposée aux radiations du milieu spatial. Aucun bouclier magnétosphérique ne vient dévier les éruptions solaires et les rayons cosmiques, et l'atmosphère est également beaucoup trop fine pour offrir une protection digne de ce nom.

Le niveau d'énergie de la plupart des particules nocives pour l'être humain se situe entre 15 MeV et 500 Mev. MARIE a été spécifiquement conçu pour quantifier le rayonnement dans cet intervalle. L'instrument mesurera la dose de radiations absorbée par les tissus en fonction du temps, ainsi que le type (protons, neutrons, noyaux d'hélium) et l'énergie des différentes particules. Son champ de vision est de 68°.

Relais UHF

L'orbiteur était initialement équipé d'un relais UHF pour relayer les communications avec l'atterrisseur. Malgré l'abandon de ce dernier, le relais UHF a cependant été conservé. L'orbiteur pourra donc jouer le rôle de satellite de transmission pour les futures sondes martiennes. Il constituera en quelque sorte le premier élément du réseau de télécommunication martien (Mars Network) que la NASA espère mettre en place dans un avenir proche autour de Mars.

Pour en savoir plus :

Un résumé des résultats obtenus par la mission Mars Odyssey est disponible dans le tableau suivant.
Chroniques martiennes : La planète Mars est un glaçon !
Liste de liens concernant Mars Odyssey (page de bibliographie).

La sonde Mars Odyssey a été lancée avec succès le 7 avril 2001 par une fusée Delta II 7925. Cette dernière a décollé du pas de tir 17 du complexe de Cap Canaveral en Floride, dès l'ouverture de la fenêtre de tir. Mars Odyssey a été injectée sur une trajectoire de type 1, qui va lui permettre de rejoindre Mars en six mois et demi (Crédit photo : NASA/JPL).

L'orbiteur Mars Odyssey. On remarque l'antenne grand gain de 1,3 mètres de diamètre, l'unique panneau solaire, ainsi qu'un long mât (6 mètres) qui supporte à son extrémité le spectromètre gamma GRS (Crédit photo : NASA/JPL).

Schéma technique de la sonde Mars Odyssey. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).

L'image est certes floue, mais elle n'est en pas moins magique, surtout lorsqu'elle est comparée avec la vue d'artiste précédente. Prise le 21 août 2005 par la caméra MOC de la sonde américaine Mars Global Surveyor, ce cliché montre Mars Odyssey en orbite autour de la planète rouge. A 90 kilomètres de distance, il est déjà possible de distinguer le mât de 6 mètres de longueur qui supporte le GRS, l'antenne grand gain et les panneaux solaires (Crédit photo : NASA/JPL/MSSS).

Grâce à trois instruments scientifiques (GRS, THEMIS et MARIE), l'orbiteur devra étudier la minéralogie et la morphologie de la surface martienne, dresser une carte globale de la composition élémentaire du sol martien et caractériser le niveau de radiations au voisinage de la planète (Crédit photo : NASA/JPL).

Lorsqu'une surface planétaire est bombardée par des rayons cosmiques, elle émet des neutrons de hautes énergies. Ces derniers peuvent s'échapper librement (en perdant parfois de l'énergie) ou interagir avec des noyaux atomiques (collision inélastique ou capture) en provoquant une émission de rayons gamma qui sont alors caractéristiques de l'élément frappé. Certains éléments radioactifs (thorium, uranium, potassium) émettent aussi spontanément des rayons gamma lorsqu'ils se décomposent. L'étude des rayons gamma et des neutrons émis par une surface planétaire permet de connaître sa composition. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).

En analysant le rayonnement gamma émis par la surface martienne, le spectromètre gamma (GRS) va obtenir sa composition élémentaire. La précision des mesures va fortement dépendre de leur durée. Pour des mesures très courtes (exemple 6 heures), le spectromètre ne peut détecter que quelques éléments, le "bruit de fond" étant trop important pour étudier les autres (Crédit photo : Université de l'Arizona).

Après 231 jours, les mesures se sont considérablement affinées. On peut alors parfaitement distinguer sur le diagramme les pics et la contribution relative des différents éléments. De gauche à droite on note le pic du potassium (K), de l'uranium (U), du silicium (Si), du chrome (Cr) et du chlore (Cl). Si le temps d'intégration est assez long, on peut atteindre une précision de 10 %. Les spectromètres gamma embarqués sur les sondes Phobos 2 et Mars 5 n'avaient pu détecter que du potassium, de l'uranium et du thorium. A cause d'incidents divers, les mesures n'avaient effectivement pas pu se prolonger sur un temps suffisamment long pour détecter d'autres éléments (Crédit photo : Université de l'Arizona).

L'instrument THEMIS comprend une caméra visible et un spectromètre infrarouge. Il devra étudier la morphologie et la minéralogie de la surface martienne (Crédit photo : droits réservés).

L'instrument MARIE mesurera le taux de radiations tout au long du voyage entre la Terre et Mars, et continuera les mesures une fois Mars Odyssey en orbite (Crédit photo : droits réservés).