SMART-1 : signal du départ pour l’aventure lunaire

Représentation artistique de SMART-1
5 août 2003

ESA INFO 14-2003. L’heure de l’exploration interplanétaire a indéniablement sonné pour l’Europe. Après avoir mis sur orbite sa première sonde martienne, l’Agence spatiale européenne (ESA) est sur le point de lancer sa première sonde lunaire, SMART-1, axée sur des objectifs tant technologiques que scientifiques.

Il s’agit de la première d’une série de petites missions de recherche sur des technologies de pointe (Small Missions for Advanced Research in Technology, ou SMART).

La mission SMART-1 a pour objet de tester un certain nombre de techniques et d’instruments nouveaux indispensables aux futures missions interplanétaires, par exemple un système principal de propulsion hélio-électrique. Elle doit également permettre d’élucider certaines énigmes scientifiques en se penchant sur des questions aussi fondamentales que la formation de la Lune et sa composition minéralogique précise ou le fait de savoir si elle abrite de l’eau et en quelles quantités. Ces données permettront aux chercheurs de mieux comprendre le système Terre-Lune et les planètes de type terrestre, de même qu’elles fourniront de précieuses informations pour les projets visant une présence humaine de longue durée sur la Lune.

Le 15 juillet 2003, la sonde SMART-1 a été expédiée à la base européenne de lancement de Kourou (Guyane française) pour les préparatifs de son lancement par une Ariane-5 le 29 août 2003.

La nouveauté tient au fait que SMART-1 associe la propulsion hélio-électrique – utilisée pour la première fois par les Européens en tant que système principal de propulsion - à la force d’attraction lunaire. Au lieu de se rendre directement à destination (ce qui reviendrait à parcourir les 400 000 km séparant la Terre de la Lune), la sonde sera injectée par le lanceur sur une orbite elliptique autour de la Terre, puis elle évoluera sur une orbite en spirale de plus en plus ample qui la rapprochera au fil des mois de sa cible, pour finalement être capturée par le champ gravitationnel de la Lune. SMART-1 ne se posera pas sur le sol lunaire, mais effectuera des observations depuis son orbite, d’où elle bénéficiera d’une vue d’ensemble. Une fois arrivée sur orbite lunaire, en décembre 2004, elle réalisera des mesures pendant six mois, voire un an.

Pourquoi la Lune ? Eau, minéraux et genèse violente

Scenario of the Moon's origin
Comment s'est formé le système Terre-Lune?

“Aussi surprenant cela soit-il, nous n’avons pas encore de connaissance parfaite de la Lune”, déclare Bernard Foing, Responsable scientifique du projet SMART-1. “Il nous reste à comprendre comment le système Terre-Lune s’est formé et comment il a évolué, mais aussi à cerner le rôle joué par certains phénomènes géophysiques comme le volcanisme, la tectonique, la formation des cratères ou l’érosion, dans le modelage de la Lune. Sans oublier, bien entendu, qu’il nous faut trouver des ressources et des sites d’atterrissage en prévision des futures missions d’exploration lunaire et planétaire ».

Il reste donc de nombreux mystères à élucider, malgré l’alunissage de six modules Apollo de la NASA (avec équipage) et de trois capsules Soyouz soviétiques (automatiques), qui avaient permis de rapporter sur Terre des échantillons de roches sélènes. La face cachée de la Lune—celle qu’on ne voit jamais de la Terre – et les régions polaires restent largement inexplorées. La présence d’eau sur la Lune n’a jamais été confirmée, malgré les preuves indirectes recueillies par deux sondes orbitales dans les années 1990. Nous ne sommes même pas certains de la façon dont la Lune s’est formée. Selon la théorie la plus couramment admise, un astéroïde de la taille de Mars serait entré en collision avec notre planète voici 4500 millions d’années et les débris évaporés dans l’espace à la suite de cette collision se seraient condensés pour former la Lune.

SMART-1 cartographiera la topographie de la Lune ainsi que la distribution, à la surface de cette dernière, de minéraux comme les pyroxènes, les olivines et les feldspaths. De plus, un détecteur X identifiera les principaux éléments chimiques présents à la surface. Ces données permettront aux scientifiques de reconstituer l’évolution géologique de l’astre lunaire et de rechercher des traces de l’impact supposé avec l’astéroïde géant. Si la théorie de la collision se vérifie, la Lune doit contenir moins de fer que la Terre, proportionnellement à des éléments plus légers comme le magnésium et l’aluminium. En établissant pour la première fois de façon exhaustive les quantités relatives des éléments chimiques, SMART-1 apportera une contribution importante à la solution de cette énigme.

Pour ce qui est de l’eau, si l’on devait en trouver sur la Lune, ce serait sous forme de glace dans des zones abritées du Soleil où la température ne dépasse jamais -170ºC. Ces masses de glace pourraient se nicher au creux de petits cratères dans les régions polaires. Scruter le fond de ces cratères constitue peut-être l’objectif le plus délicat que se soient fixé les chercheurs du projet SMART-1. Ils chercheront à obtenir la signature infrarouge de l’eau gelée. Non sans mal, puisque ces zones ne sont pas directement ensoleillées. Il se peut toutefois que le rayonnement issu des bords des cratères ensoleillés éclaire suffisamment la glace pour que les instruments de SMART-1 puissent la déceler.

De nouvelles technologies pour préparer les futures missions interplanétaires

Artist's impression of SMART-1 ion engine
Les moteurs ioniques offrent plusieurs atouts majeurs

Les futures missions scientifiques tireront largement parti des technologies expérimentées sur SMART-1. Le système principal de propulsion hélio-électrique adopté pour cette mission est une technique nouvelle, utilisée une seule fois auparavant, faisant appel à des moteurs ioniques alimentés en courant électrique par des panneaux solaires. Ces moteurs délivrent une très petite poussée mais ils peuvent fonctionner des années durant, alors que les moteurs-fusées chimiques classiques, plus puissants, consomment les ergols en quelques minutes.

Les moteurs ioniques offrent plusieurs atouts majeurs. Leurs besoins en ergols sont nettement inférieurs à ceux des systèmes de propulsion chimiques, d’où une masse moindre au lancement, ce qui accroît la masse disponible pour la charge utile et les instruments scientifiques. Les moteurs ioniques ouvrent la voie à l’exploration de l’espace véritablement lointain en permettant d’allonger considérablement la durée des vols interplanétaires : en effet, s’ils délivrent une poussée plus faible, ils offrent l’avantage de pouvoir fonctionner pendant plusieurs années. La tortue ionique finira par dépasser le lièvre chimique ! De plus, le fait même de délivrer une faible poussée autorise un contrôle d’attitude très précis du véhicule spatial, ce qui constitue un précieux atout pour les missions scientifiques nécessitant un pointage stable et de haute précision. Les futures missions scientifiques de l’ESA reposeront sur des systèmes de propulsion ionique.

SMART-1 expérimentera également de nouvelles techniques de miniaturisation qui se traduiront par un encombrement réduit et des économies de masse. En réduisant la masse de chacun des instruments, on offre aux chercheurs la possibilité d’installer un plus grand nombre d’instruments à bord du véhicule spatial. La charge utile de SMART-1 comprend une douzaine d’expériences technologiques et scientifiques qui seront réalisées par sept instruments représentant une masse totale de 19 kg seulement. A titre d’exemple, le télescope D-CIXS fonctionnant dans le rayonnement X se compose d’un cube de tout juste 15 cm de côté dont la masse est inférieure à 5 kg. La caméra électronique ultra-compacte AMIE n’est pas plus lourde qu’une caméra amateur.

De nouvelles techniques de navigation et de télécommunications spatiales seront également mises à l’épreuve. L’expérience OBAN, basée sur des images prises par la caméra miniature AMIE et les suiveurs stellaires, constitue un premier pas vers les engins spatiaux dits « autonomes ». Dans un avenir qui n’est plus si éloigné, les satellites scientifiques pourront s’orienter moyennant une intervention minimale des équipes de contrôle au sol, en utilisant seulement les étoiles et d’autres objets célestes pour se guider sur un trajet prédéfini.

En ce qui concerne les télécommunications, les ingénieurs ont besoin de mettre au point, pour les vols interplanétaires de longue durée réalisés sur de grandes distances, des moyens efficaces de communiquer avec la Terre depuis l’espace lointain. SMART-1 conduira une expérience basée sur les ondes radio très courtes (bande Ka, avec l’instrument KaTE) ainsi qu’une expérience destinée à communiquer avec la Terre au moyen d’un faisceau laser au lieu des fréquences radio traditionnelles. L’ESA établit d’ores et déjà des liaisons laser avec des satellites de télécommunications depuis la station sol optique de Ténériffe (îles Canaries). Mais il est beaucoup plus difficile de diriger le faisceau lorsque le véhicule spatial, à l’instar de SMART-1, évolue à grande vitesse et loin de la Terre. Les chercheurs espèrent que la caméra AMIE embarquée à bord de la sonde distinguera très nettement la lueur laser émise depuis Ténériffe.

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