Qu’est-ce qu’une mission d’exploration spatiale? Entretien avec Jennifer Pouplin

Moscou nous réserve tous les jours de belles surprises: parfois on a le plaisir de rencontrer un usager du métro aux goûts vestimentaires affolants, parfois on est pris dans un concert improvisé, ou bien on trouve un restaurant fabuleux dans une arrière-cour d’une ruelle quelconque. Parfois, mais plus rarement, on rencontre une spécialiste des sondes spatiales.

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Jennifer Pouplin avec Charles Bolden, administrateur de la Nasa

Jennifer Pouplin est actuellement en double cursus Mines de Nancy/Purdue University, et elle compte bien contribuer à l’exploration de notre système solaire. “Je suis passionnée par ces questions depuis l’enfance, je pouvais devenir planétologue et comprendre comment fonctionne un corps céleste. Mais savoir comment y aller m’intéressait davantage” nous confie t’elle. Après plusieurs spécialisations et formations, elle décrochera bientôt le diplôme de la très prestigieuse université Purdue, le “berceau des astronautes”. Une vingtaine d’astronautes célèbres en sont issus, à commencer par Neil Armstrong.

Le hasard a fait que la veille de notre rencontre, la NASA réussissait la mise en orbite de la sonde Juno autour de Jupiter. Les sondes spatiales font parfois la une de l’actualité, en apportant des clichés fascinants et des données scientifiques de première valeur. Pourtant, peu de personnes savent pourquoi on les envoie, comment la décision de la mission est prise, quelles contraintes et quels dangers pèsent sur la sonde, comment elle est construite.

Je lui proposais donc de nous expliquer plus en détails les coulisses d’une mission d’exploration spatiale.

La décision

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Une publicité pour le Jet Propulsion Laboratory datant des années 60. Crédits: JPL

Envoyer une sonde spatiale coûte énormément d’argent, de l’argent public. Par conséquent, la décision de créer une mission  est un choix éminemment politique, qui s’inscrit dans la durée. Aux Etats-Unis, c’est le Congrès qui approuve les projets proposés par la NASA. Les missions d’exploration s’inscrivent dans une conduite stratégique à long terme. “Ces missions sont très longues, souvent plus de 20 ans de la prise de décision à la fin de mission. Pour Juno, la décision a été prise au début des années 2000” rappelle Jennifer. La NASA mène en effet trois types de missions:

  • Flagship: une fois par décennie, avec des budgets de plus d’un milliard de dollars
  • New frontier: deux à trois fois par décennie, pour 500 à 700 millions de dollars
  • Discovery: Des missions à destination de Mars, Vénus, la lune, astéroïdes et comètes. 

Ces projets ont eux-mêmes été imaginés par le Jet Propulsion Laboratory, un organisme de l’agence. Pendant 15 jours, ingénieurs et scientifiques se rassemblent en TeamX, une session de réflexion destinée à définir des descriptifs de missions possibles. A l’issue, un document de 50 à 100 pages est fourni pour chaque mission, où sont recensés les objectifs scientifiques, les matériels embarqués, les technologies requises, les contraintes, etc. et surtout les coûts estimés. Une fois le projet approuvé par la direction de la Nasa et les budgets alloués par le Congrès, le projet en lui-même peut débuter.

La mise en place

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Les équipes de la NASA s’activent autour de Curiosity. Crédits: JPL

Pour un projet d’exploration spatiale, la matière première est humaine. C’est la capacité de l’agence à rassembler des talents et à les faire travailler ensemble qui déterminera la réussite de la mission. A la Nasa, la mise en place du projet commence par le recrutement du Personal Investigator. C’est le chef du projet, généralement celui qui a eu l’idée du concept de mission lors du TeamX. “Devenir PI est une incroyable opportunité, mais cela peut aussi être le tombeau d’une carrière en cas d’échec de la mission. Depuis la mission Galileo, les ingénieurs et les scientifiques sont beaucoup plus frileux”. En effet, la sonde n’avait pas pu déployer son antenne grand gain, et transmettre les données scientifiques à haut débit. Dans le domaine spatiale, l’échec n’est pas une option: il se mesure instantanèment en centaines de millions de dollars au mieux, en vies humaines au pire. Le Personnal Investigator rassemble autour de lui son équipe, qui compte en général une vingtaine de personnes, spécialisées dans des domaines bien particuliers: propulsion, guidage, télécommunications, imagerie, etc. Ces personnes vont travailler ensemble pour construire la sonde et l’utiliser.

La première tâche consiste à rassembler les instruments qui permettront de remplir les objectifs scientifiques attribués à la mission. Pour cela, on met en place une matrice qui permettra d’évaluer les besoins techniques, et de les interpréter en terme de coûts et de poids. “Il y a toujours des modifications sur les matériels sélectionnés, aussi infimes soient-elles” souligne Jennifer. Ces instruments doivent en effet affronter des conditions hors normes, passant d’une seconde à l’autre du froid au chaud, subissant les pressions d’une rentrée atmosphérique ou bien les radiations du vide spatial. Il faut aussi prendre en compte la redondance des instruments. C’est notamment le cas pour les caméras: outre le fait de pouvoir palier à la perte éventuelle de l’une d’entre elles, la possession de plusieurs caméras permet d’obtenir une vue en trois dimensions. Il faut aussi pouvoir vérifier les données recueillies: que faire si deux thermomètres indiquent des températures différentes? Les instruments scientifiques étant au coeur de la mission, ils sont sélectionnés avec la plus grande rigueur, puis vérifiés avant le lancement. Tout au long du transit vers son objectif, les instruments sont mis à contribution afin de vérifier leur fonctionnement.

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Les équipement sur la sonde Juno. Crédits: Nasa

Il faut cependant de l’énergie pour faire fonctionner le matériel scientifique. Avec la technologie actuelle, plusieurs possibilités s’offrent aux ingénieurs.  Tout d’abord, il y a les batteries, qui ont évidemment une durée de vie limitée. Elles peuvent être activées à distance ou bien grâce à un interrupteur qui réagit à la pression par exemple. Cette technologie était surtout utilisée dans les débuts. Les batteries sont toujours présentes aujourd’hui, mais elles peuvent être rechargées grâce à des panneaux solaires. Elles sont alors utilisées pour permettre à la sonde de continuer à fonctionner dans les zones d’éclipse. Le nucléaire est aussi très prisé, bien que plus sensible à manier. Les sondes Voyager fonctionnaient avec des RTG (générateur thermoélectrique à radioisotope) qui permettaient de fabriquer de l’énergie grâce à la chaleur dégagée par un matériel radioactif . L’avantage de la technologie nucléaire, c’est que l’on sait précisément à quelle vitesse se dégrade le matériel, et quelle énergie il sera en mesure de produire d’ici 10, 20, ou 100 ans. Il est très utile lorsque la sonde atteint les confins du système solaire, là où les rayons lumineux se font moins intenses, rendant les panneaux solaires beaucoup moins intéressants.  La sonde Juno dispose de 45m² de surface photovoltaïque, car à la hauteur de Jupiter elle ne reçoit que 2 à 3% de l’intensité lumineuse reçue au niveau de la Terre. La NASA songe cependant à limiter l’usage des RTG, car les risques de contamination radioactive restent très élevés en cas d’échec du lancement, ou de perte de contrôle de la sonde.

La propulsion est fondamentale lorsque l’on parle d’exploration du système solaire. Elle permet de corriger les trajectoires, de s’élancer vers de nouveaux objectifs, et surtout de freiner pour réaliser une mise en orbite. Là encore, il existe plusieurs options. Les moteurs liquides sont les plus couramment utilisés, mais ils ont l’inconvénient de ne pas être renouvelables: lorsque les réservoirs sont finis, c’est la panne sèche. Les ingénieurs arrivent cependant à optimiser les trajectoires, et les réserves de carburant sont souvent bien suffisantes. Par exemple, il reste encore un tiers de ses réserves à la sonde Voyager I, lancée en 1977! Des gaz froids peuvent aussi être utilisés. Ils permettent notamment de ne pas perturber les mesures scientifiques. Enfin, il y a le moteur ionique. utilisé sur Deep Space One et sur Dawn. Le grand avantage de ce type de propulsion, c’est que la masse embarquée est beaucoup moins importante. En effet, pour mettre en oeuvre un moteur liquide, il faut pouvoir accélérer le gaz éjecté en le mettant sous pression, par exemple avec de l’azote, ou bien avec une turbopompe. Le problème, c’est que c’est très lourd! Avec un moteur ionique, vous emportez uniquement le gaz éjecté (du Xenon), car celui-ci est ionisé puis électriquement accéléré. Cette énergie électrique est fournie par les panneaux solaires, mais il est prévu d’utiliser des RTG à court terme.

Les télécommunications sont très importantes, car elles permettent la transmission des données et le guidage de la sonde. Le problème, c’est qu’il faut que la sonde dispose de puissants moyens, car les distances sont astronomiques. “Pourquoi l’équipe Juno était-elle si tendue lors de sa mise en orbite? C’est parce qu’il n’était pas possible de piloter manuellement la sonde, il fallait programmer la manoeuvre, du fait des décalages de communication. De même, les données validant la mise en orbite ne parvinrent sur Terre que quelques minutes après la mise en orbite effective”. En effet, les ondes radios se déplacent dans le système solaire, et donc leur transmission n’est pas instantanée. Un phénomène que l’on peut apprécier à l’écran dans le film “The Martian” par exemple. Jennifer ajoute que “sur Terre, trois stations permettent de recevoir les transmissions radios. Une aux Etats-Unis, une en Espagne, et une en Australie”. Les manoeuvres peuvent également être gérées automatiquement par l’ordinateur de bord, lui aussi soumis et à la redondance et doublée.

A tous ces éléments s’ajoute également la protection de la sonde contre les températures et les radiations. De nombreux matériaux sont utilisés pour pouvoir résister aux très basses températures et éviter les soudures à froid, ou bien au contraire protéger les instruments des rayons solaires.

“Sur une sonde, tout est lié” conclut Jennifer.

La mission

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Le parcours de la sonde Rosetta.

La phase de décollage est critique pour la mission. On peut en effet être angoissé lorsque l’on place un objet de plusieurs centaines de millions de dollars et qui a nécessité des milliers d’heures de travail sur un réservoir de carburant auquel on met le feu. Il faut aussi que les fragiles instruments de la sonde survivent aux secousses du décollage. Une fois dans l’espace, le long transit vers la destination commence: il peut prendre plusieurs années. Outre la propulsion initiale, les ingénieurs jouent aussi avec la gravité des planètes. L’exemple de Galiléo est très intéressant: deux survols de la Terre et un survol de Vénus ont été utilisés pour catapulter la sonde à vitesse suffisante vers Jupiter. La gravité peut aussi être utilisée pour freiner la sonde. En effet, si l’objet est envoyé à trop grande vitesse, la mise en orbite nécessitera une poussée inversée importante et donc une grande consommation de carburant.

Entre temps, de nombreux risques existent pour la sonde: la première inquiétude concerne les instruments scientifiques, car sans eux la mission n’a aucun intérêt. “Des vérifications régulières sont effectuées, la sonde se tourne régulièrement vers la Terre pour tester ses systèmes de transmission et ses instruments de mesure”. Il y a aussi un “bip” permanent qui atteste de la bonne santé de la sonde. Concernant la propulsion, ce sont les valves qui peuvent présenter un risque d’échec. Très sensible, ces pièces du moteur permettent de réguler la propulsion, et donc la direction prise par la sonde. En cas de défaillance des valves, la sonde est perdue. “Plus c’est simple, mieux c’est. Plus il y a de charnières, de points de frottement, et plus on s’expose à une panne. Or pour accomplir des missions intéressantes, il faut des équipements complexes: c’est là tout le paradoxe de l’ingénierie spatiale”.  

Outre les défaillances techniques, l’espace en lui-même présente des dangers importants. Une tempête solaire peut par exemple affecter la mémoire de l’ordinateur de bord, et empêcher la collecte des données scientifiques. Les micrométéorites et autres débris sont aussi un danger mortel pour la sonde. Les planètes elles-mêmes peuvent affecter l’engin, notamment à cause de leur radioactivité (Europe par exemple).

Après la phase de transit, vient la phase d’exploitation, celle pour laquelle tant d’énergie a été dépensée, et tant de kilomètres parcourus. Les instruments sont alors réveillés pour pouvoir être vérifiés et utilisés. On commence tout d’abord par les caméras, pour pouvoir replacer la sonde dans une situation. On active ensuite le magnétomètre, car ces données sont les plus précieuses à l’approche d’une planète. Enfin, l’ensemble des instruments est allumé.

Comme nous l’avons dit, la mise en orbite est un moment crucial. Mais une rentrée atmosphérique peut aussi être délicate. Dans le cas de la sonde atmosphérique de Galileo, “il y avait deux interrupteurs mécaniques, un à 6g et l’autre à 25g, mais les branchements ont été inversés. Cela a tout de même permis le déploiement du parachute, mais avec 53 secondes de retard! Au lieu de commencer la rentrée à 0.1 bar, cela a débuté à 0.35 bars”. Pour une rentrée atmosphérique, le premier bloc à être réveillé est celui des Instruments de Structure Atmosphérique (ASP) qui comprend généralement un thermomètre, un spectromètre, un baromètre et un altimètre. Ils permettront d’étuder la structure verticale de l’atmosphère, tandis qu’un orbiteur l’étudiera dans le temps.

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La sonde Voyager évolue désormais dans l’espace interstellaire. Crédits: Ginjfo.com

De nombreuses missions d’étude scientifique sont possibles. Nous nous contenterons ici d’énumérer celles de la sonde Galileo:

  • Etude de la circulation et de la dynamique de l’atmosphère de Jupiter.
  • Etude de la ionosphère de Jupiter
  • Etude de la morphologie, de la géologie et des structures physiques des lunes de Jupiter.
  • Composition et distribution des minéraux à la surface des lunes.
  • Analyse des champs de gravité
  • Etude des interactions entre la magnétosphère de Jupiter et ses lunes.
  • Spectrographie du système jovien.
  • Pour la sonde atmosphèrique: bilan radiatif, étude de la structure verticale, composition chimique, étude électrique de l’atmosphère, étude des particules électriques.

Comme tout objet, une sonde spatiale a une durée de vie. La fin de la mission est choisie et étudiée jusqu’au bout. Deux choix s’offrent à l’équipe de vol: le crash ou la dérive. Le premier cas est généralement choisi pour éviter de voir un objet radioactif contaminer une planète. Ce sera par exemple le cas de la sonde Juno qui sera détruite dans l’atmosphère de Jupiter, planète gazeuse elle-même très radioactive. La dérive est une autre solution, qui permet de recueillir des données hors du système solaire. Ainsi, Voyager I devrait atteindre l’étoile la plus proche dans 40000 ans. Parfois la mission est prolongée, car il est encore possible de réaliser des études avec les ressources restantes. Le choix de poursuite de la mission est avant tout un choix financier. Comme le soulignait André Brahic, planétologue, “le problème avec la poursuite du programme Galileo, c’est que nous européens sommes mal payés mais longtemps, alors que les américains sont très biens payés mais pour la durée de la mission. Toute prolongation entraînait donc une asymétrie dans les coûts entre l’ESA et la NASA”.

Pourquoi faire?

Pourquoi envoyer une sonde à l’autre bout du système solaire? Pourquoi ne pas utiliser cet argent pour construire des routes, des hôpitaux, donner des aides? Le premier intérêt, c’est de comprendre notre propre planète. “L’astronomie est un travail effectué par analogie. En étudiant les autres planètes, nous comprenons beaucoup mieux les phénomènes à l’oeuvre sur la nôtre. Les lunes de Jupiter abritent probablement des océans recouverts de glace. On pourrait expliquer l’apparition de la vie si jamais nous arrivions à en trouver des traces sur Encelade ou Europe”. Cette perspective où la science rencontre la philosophie est l’une des motivations principales des hommes et des femmes qui par leurs capacités intellectuelles et techniques repoussent sans cesse les frontières du connu.

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Le spécialiste du moonwalk, Buzz Aldrin!

 

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