Le rover Curiosity

Curiosity est doté de 6 roues et 17 caméras, dont certaines sont montées sur un mât. Le rover est notamment équipé d'un laser pour vaporiser une fine pellicule de la surface des roches afin d'analyser la composition chimique des matériaux sous-jacents. Il peut aussi broyer des roches et des échantillons de sols pour en faire l'analyse chimique. Ses instruments scientifiques sont les suivants :

• APXS (Alpha-Particle-X-ray-Spectrometer) est un spectromètre à rayons X  détermine les abondances d’éléments chimiques lourds des roches et du sol. APXS se situe sur le bras du rover.
• ChemCam (CHEMistry CAMera) analyse par spectrométrie la lumière d'un plasma issu d'un tir laser (jusqu'à 9 m de distance) sur des roches martiennes. Il est constitué des deux unités suivantes :
  • Le Mast Unit (monté sur le mât du rover) constitué d'un laser, d'un télescope et d'une caméra RMI (Remote Micro Imager). Cet ensemble est fourni par l'IRAP.
  • Le Body Unit (monté sur le corps du rover) constitué de 3 spectromètres, de l'électronique de puissance et de la gestion bord fourni par le LANL (Los Alamos National Laboratory - USA).
• CHEMIN réalise l'analyse minéralogique d'échantillons de roches par diffraction et fluorescence des rayons X.
• DAN (Dynamic of Albedo Neutrons) est un détecteur de neutrons pour mesurer l'hydrogène contenu dans les couches superficielles du sol martien (incluant l'eau).
• MAHLI (MArs HandLens Imager) est une caméra microscopique montée au bout du bras du rover. Elle permet de réaliser des images (et donc de donner des caractéristiques structurelles) des roches et du sol et potentiellement d’identifier du givre ou de la glace. Cette caméra nous permet également d’obtenir des « selfies » du rover Curiosity.
• MARDI (MARs Descent Imager) a réalisé, lors de la descente et de l'atterrissage sur Mars, des images de haute résolution et en couleur afin de fournir des informations sur le contexte géologique du site d’atterrissage.
• MASTCAM (MAST CAMera) est un ensemble de deux caméras situées en haut du mât du rover (soit environ à 2 m du sol) Elles réalisent des images couleur multispectrales (Visible et proche infra-rouge) et stéréoscopiques (permettant de faire de la 3D). Ces images peuvent être des panoramas à 360°, permettant ainsi aux scientifiques d’avoir une vision de l’ensemble du terrain à explorer. MASTCAM est également en capacité de faire des vidéos haute définition (10 images/s) permettant de témoigner de phénomènes géologiques martiens (tempêtes de poussières, nuages…)
• RAD (Radiation Assessment Detector) détecte et recense les particules reçues par le rover Curiosity émises par le soleil ou par des sources plus lointaines. L’instrument permet de caractériser ces radiations en vue de l'exploration humaine de la planète et également de déterminer les impacts passés de celle-ci sur la chimie martienne.
• REMS (Rover Environmental Monitoring Station) réalise des mesures météorologiques (mesure du vent, de la pression, de la température) et possède un capteur ultra-violet.
• SAM (Sample Analysis at Mars) réalise des analyses minérales et atmosphériques et détecte une large gamme de composés organiques. Cet instrument est un laboratoire dont l’objectif est de déterminer l’habitabilité passée de Mars (objectif principal de la mission MSL). Cet ensemble instrumental est composé des instruments et sous-systèmes suivants :
  • QMS (Quadrupole Mass Spectrometer), un spectromètre de masse quadrupolaire.
  • GC (Gas Chromatograph), un chromatographe en phase gazeuse fourni par le LATMOS.
  • TLS (Tunable Laser Spectrometer), un spectromètre infra-rouge. Il est fourni par le Jet Propulsion Laboratory.
  • Le système de manipulation d'échantillons solides (SMS).
  • Le système de préparation d'échantillons (CSPL).
  • Des moyens de pompage (WRP).

L’instrument ChemCam

ChemCam est un instrument d'analyse élémentaire des roches et des sols autour du rover Curiosity jusqu'à environ 9 mètres. Il utilise la technique d'analyse spectroscopique induite par ablation laser (Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS).

Un laser de puissance tire sur une cible, ce qui provoque la fusion du matériau et l'apparition d'un plasma que l'on détecte à distance et dont analyse le spectre lumineux. Cette technique permet de faire une première analyse sélective des roches environnantes de Mars sans avoir besoin de déplacer le rover. À partir de ces informations, le rover peut alors se positionner près d'une roche afin de faire des analyses plus approfondies. L'expérience est aussi dotée d'une caméra (RMI : Remote Micro-Imager) qui fournit une image à haute résolution de l'échantillon pour décrire le contexte de la mesure LIBS.

L'instrument ChemCam est sous la responsabilité d'un PI américain, Nina Lanza, du Los Alamos National Laboratory (LANL). La contribution française à ChemCam  est le Mast Unit constitué d'un laser, d'un télescope, d'une caméra RMI et de l'électronique associée, sous la responsabilité d'un co-PI de l’IRAP, Olivier Gasnault.

L’ensemble instrumental SAM analyse le sol et le proche sous-sol de Mars. Il permet de chauffer les échantillons de roches prélevés par le rover jusqu’à plus de 850°C, et d’analyser finement la nature chimique des gaz produits avec les trois instruments complémentaires qu’il contient. Ces analyses permettent de fournir des informations sur la nature des minéraux et composés organiques présents dans les échantillons analysés. SAM a également la capacité d’analyser la composition de l’atmosphère pour comprendre le climat présent et passé de la planète. C'est le plus gros instrument de la mission, pesant près de 40 kg, soit la moitié de la charge utile du rover.

L'ensemble SAM se compose de différents sous-systèmes : manipulation d'échantillons solides, préparation d'échantillons (pyrolyse, dérivatisation, combustion, enrichissement et moyens de pompage).

Il comporte 3 instruments : un spectromètre de masse quadrupolaire (QMS), un chromatographe en phase gazeuse (GC), un spectromètre à diode laser (TLS).

Le chromatographe en phase gazeuse (GC) assure la séparation et la détection des composés présents dans l'échantillon gazeux. La séparation s'opère dans 6 colonnes chromatographiques, permettant d'analyser simultanément une grande variété de composés. La détection est réalisée en série par des détecteurs à conductivité thermique (TCD), avec une grande sensibilité de détection grâce à l’utilisation de pièges d’injection.

L'ensemble instrumental SAM est sous la responsabilité d'un PI américain, Charles Malespin, du Goddard Space Flight Center (GSFC) de la NASA. La contribution française à SAM (SAM-GC) est sous la responsabilité d'un co-PI du LATMOS, Cyril Szopa.

Contexte

Depuis des décennies, les scientifiques s’intéressent à la « planète rouge », qui présente plusieurs similitudes avec la Terre. Dans le Système solaire, elle est la plus à même d’avoir réuni les conditions propices à la vie. Depuis le programme Mariner, en 1965, une quarantaine de missions spatiales ont été lancées pour tenter de percer ses secrets, parmi lesquelles Viking, Sojourner, Opportunity ou encore la sonde européenne Mars Express. Toutes ces missions ont apporté des connaissances précieuses sur le sol martien, montrant notamment que de l’eau liquide a coulé en abondance sur la planète.

La mission Mars Science Laboratory a été imaginée pour aller plus loin, afin d’apporter la preuve de cette présence passée d’eau liquide et d’approfondir la connaissance de la géologie martienne. À cet effet, le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA a mis sur pied au début des années 2000 un programme impliquant plusieurs pays, dont la France, pour faire entrer l’exploration martienne dans une nouvelle ère. Il s’agissait d’envoyer sur Mars un rover, c’est-à-dire un véhicule robotisé autonome, de capacités et de dimensions inédites, emportant 10 instruments scientifiques pour un total de 80 kg de charges utiles, communiquant en permanence avec la Terre et doté d’une grande autonomie de fonctionnement. D’une durée initiale de 687 jours, soit une année martienne, la mission MSL poursuit ses opérations depuis 13 ans.

À la recherche de la vie

MSL recherche des traces de la présence d’eau à l’état liquide qui aurait perduré plusieurs millions d’années après la formation de la planète. Il recherche également des éléments chimiques qui auraient pu se combiner pour conduire à l’apparition de la vie, dont les principaux sont le carbone, l’hydrogène, l’azote, l’oxygène, le phosphore et le soufre. D’autres éléments chimiques impliqués dans les formes de vie que nous connaissons sont également recherchés : fer, sodium, calcium, manganèse, etc.

La vie a aussi besoin de sources d'énergie et de conditions environnementales suffisamment stables. La mission étudie les cycles du carbone et de l'eau sur la planète au cours du temps, afin de déterminer sous quelle forme et en quelle quantité le carbone et l'eau sont stockés sur la planète et dans l'atmosphère.

Étude de l’atmosphère martienne

MSL cherche à caractériser le climat passé de Mars ainsi que les processus climatiques de la basse et de la haute atmosphère. Dans le passé, si Mars a été plus chaude, alors son atmosphère devait être plus dense et plus humide, et ainsi avoir fourni des conditions environnementales plus favorable à la vie microbienne.

La mission étudie précisément la composition de l'atmosphère martienne en recherchant les éléments nécessaires à la vie (dioxyde de carbone, méthane, azote, hydrogène) et en essayant de comprendre comment cet état passé s’est modifié. L’analyse de la composition des roches, sols et structures de la surface peuvent aussi donner des informations sur les changements dans l'atmosphère de la planète au cours du temps. MSL mesure aussi les radiations à la surface de la planète, incluant les rayons cosmiques, les protons solaires et les neutrons.

Géologie de Mars

MSL étudie les roches et le sol pour comprendre les processus géologiques qui ont créé et modifié la croûte martienne et la surface dans le temps. En particulier, la mission recherche des preuves de la formation des roches en présence d'eau.

Exploration humaine

En démontrant la possibilité de faire atterrir des charges imposantes sur la surface de Mars (un véhicule de 900 kg), MSL a ouvert la voie à l'envoi d'équipements nécessaires aux futurs explorateurs humains. L'expérience acquise en techniques d'atterrissage précis constitue aussi un premier pas vers le développement de capacités d'envoi d'astronautes vers une destination précise de façon sûre et fiable.

Déroulé du projet

MSL est une mission du programme d'exploration de Mars de la NASA, initié en 2004. Le programme, d’un montant de 2,5 milliards de dollars, présente un niveau de sophistication inédit. Le rover, baptisé Curiosity, a été développé et assemblé au Jet Propulsion Laboratory (JPL) situé à Pasadena, aux États-Unis, avec la participation de plusieurs pays : Canada, Espagne, France et Russie. Curiosity, qui emporte 10 instruments scientifiques, se distingue des précédents rovers martiens par ses dimensions (900 kg, soit la taille d’une petite voiture, et 80 kg de charge utile, 10 fois plus que ses prédécesseurs) et par sa batterie à énergie nucléaire qui lui permet d’opérer de jour comme de nuit.

En 2011, la NASA sélectionne parmi 100 sites potentiellement intéressants le cratère Gale comme site d’atterrissage. Les scientifiques l’ont choisi pour ses caractéristiques géologiques, notamment la présence d’argile, signe que de l’eau liquide y a coulé dans un passé lointain. Au milieu du cratère, s’élève le mont Sharp, culminant à 5 500 m, dont l’empilement des couches géologiques doit permettre de retracer l’histoire de la planète.

Le lancement a lieu le 26 novembre 2011, à bord d’une fusée Atlas V. Après un voyage de 60 millions de km d’une durée de 8 mois, MSL se pose sur le sol martien le 6 août 2012, au terme d’une descente de 7 minutes extrêmement périlleuse. Quelques jours plus tard, le spectromètre ChemCam effectue son premier tir au laser sur une roche martienne. 

Conçu au départ pour une mission primaire d'une durée d'une année martienne, correspondant à 687 jours terrestres, Curiosity était censé parcourir une distance de 5 à 20 kilomètres depuis son site d'atterrissage. En réalité, il atteint en 2025 les 13 ans d’activité et a parcouru plus de 34 km. En août 2024, ChemCam a programmé depuis le centre toulousain FOSCE (French Operating Center for Science and Exploration) au CNES, son millionième tir laser.

Organisation

Le JPL est maître d'œuvre du programme. Les 10 instruments scientifiques, constituant la charge utile du rover Curiosity, ont été développés et fournis au JPL sous la responsabilité de « Principaux Investigateurs » (PI) appartenant à des laboratoires scientifiques américains, européens et russes. Chaque PI était responsable des interfaces avec le JPL, de l'intégration et de la recette de son instrument ainsi que de sa fourniture au JPL pour intégration sur le rover Curiosity. Il était aussi responsable des opérations de son instrument, du traitement et de la mise à disposition des données pour la communauté scientifique.

Le CNES assure, pour le compte de l'ensemble des partenaires nationaux (CNRS, Université), la maîtrise d'ouvrage de la contribution française à Curiosity. Celle-ci concerne deux instruments : ChemCam (réalisé par l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie – IRAP à Toulouse en collaboration avec le LANL aux Etats-Unis) et SAM (réalisé par le Laboratoire Atmosphères, observations spatiales – LATMOS Paris en collaboration avec le Goddard aux États-Unis). Le CNES a financé et supervisé les développements des contributions françaises et apporté un support matériel et humain. Il est également l'interlocuteur des PI américains, de la NASA et du JPL pour des aspects managements et techniques.

Le schéma suivant montre l'ensemble des coopérations et partenariats mis en place dans le cadre du développement des contributions françaises à la mission MSL.

Le Centre spatial de Toulouse accueille au sein du FOCSE (Centre français d'opérations des missions scientifiques et d’exploration), le centre d'opérations de la mission MSL.

Il permet aux ingénieurs, techniciens et scientifiques du CNES et des laboratoires partenaires d'opérer les instruments ChemCam et SAM. L'équipe du FOSCE assure la surveillance et la programmation des instruments, la récupération et le traitement des données scientifiques.

La mission MSL implique des contraintes opérationnelles. Concernant ChemCam, l’analyse des données scientifiques et la préparation du plan de travail de l’instrument suivant une chronologie d'activités très précise, se fait quotidiennement, sous la responsabilité du JPL. Les opérations sont réalisées en alternance avec le LANL (Los Alamos National Laboratory, responsable de l'instrument ChemCam) une semaine sur deux.

Les opérations de SAM sont réalisées depuis le FOCSE une semaine sur 4. En fonction de la récupération d'échantillons, les analyses peuvent mobiliser durant plusieurs jours les équipes techniques et scientifiques.

En tout, le FOCSE réunit 9 ingénieurs pour les opérations des 2 instruments, une trentaine de scientifiques pour ChemCam et une dizaine de scientifiques pour SAM.

Médias CNES

• Photothèque
• Revivez le lancement de la mission Mars 2020
• Revivez l’atterrissage historique de Perseverance sur Mars
• Podcast

Liens externes

Pour aller plus loin, voici des liens vers des sites externes que vous pouvez consulter :

• La mission Mars 2020 sur le site de la Nasa
• Pour localiser le rover Perseverance sur Mars (Nasa)
• Découvrir les images prises par Perseverance (Nasa)

Les sites des laboratoires français impliqués dans Mars 2020 :

• IRAP
• LATMOS
• LESIA
• ISAE-Supaero
• IAS

Plus de 500 000 tirs laser sur des roches martiennes

En février 2025, en près de 4 ans d’opérations sur le sol martien, ChemCam a parcouru environ 30 km et dépasse les 500 000 tirs laser. Cela a permis d’analyser plus de 1000 cibles géologiques. ChemCam a notamment découvert une série de roches particulières comme de l’opale, de la calcédoine et du quartz, identifié pour la première fois à la surface de Mars. Ces observations sont complétées par des milliers de photos des signatures infrarouges des roches qui nous renseignent sur l’habitabilité passée de Mars.

Des heures de sons enregistrés

Le microphone de SuperCam a permis d’assembler une collection de sons extraterrestres unique en son genre : plus de 21 heures de vents, de bruits artificiels et de turbulence.

Une collecte d’échantillons maîtrisée

Perseverance a commencé ses prélèvements de morceaux de roches et d’échantillons de l’atmosphère martienne. Les fragments ont ainsi été ramassés, stockés dans des tubes collecteurs hermétiques, ont été déposés sur le sol du cratère Jezero, dans l’attente d’un transfert vers la Terre.

Deux expérimentations réussies

L’instrument Moxie a pour la 1^re fois fabriqué de l’oxygène à partir du dioxyde de carbone de l’atmosphère martienne. Ce succès est un premier pas vers une mission habitée, qu’il faudra être capable de reproduire à grande échelle et en continu, quelles que soient les circonstances.

Programmé initialement pour 5 vols, l’hélicoptère martien Ingenuity a réussi l’exploit de voler plus de 70 fois avant de s’écraser sur une dune de sable. Le démonstrateur poursuit toutefois sa mission en tant que station météo martienne après une modification de son système d’exploitation.

Le rover Perseverance

Perseverance, le rover de Mars 2020 est basé sur la configuration du véhicule Curiosity de la mission Mars Science Laboratory. Il fait 3 mètres de long, 2,7 mètres de large, 2,2 mètres de hauteur, et pèse 1050 kilogrammes.

Le corps du rover (Warm Electronic Box, WEB) protège les calculateurs et les éléments électroniques et maintient la température constante. La partie supérieure constitue une plateforme qui reçoit le mât. Une fois déployé, il peut prendre des photos pendant que le véhicule se déplace.

Le rover est équipé de 2 ordinateurs de bord identiques, capables de se suppléer l’un à l’autre. Ils communiquent avec les éléments fonctionnels du véhicule et sont en relation directe avec les instruments pour leur envoyer les instructions et récupérer leurs données. Le véhicule possède de nombreuses caméras, avec des fonctions complémentaires et plusieurs microphones, dont celui associé à l’instrument SuperCam.

Le bras robotique de 2 mètres de long est extrêmement mobile. Il se termine par une tourelle qui comporte plusieurs instruments capables de faire des images, d’analyser la composition élémentaire et de prélever de petits échantillons.

Le rover possède 6 roues, chacune équipée de son propre moteur électrique, dont les 4 situées aux extrémités permettent au véhicule de faire un tour complet sur lui-même.

L’énergie nécessaire aux fonctions du rover est produite par un MMRTG (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator) qui transforme la chaleur générée par la désintégration radioactive naturelle du plutonium en électricité. La chaleur produite par le MMRTG est aussi utilisée pour maintenir le corps du véhicule et les instruments à leur température normale d’opérations.

Le véhicule communique avec des satellites en orbite martienne pour envoyer des données et recevoir des instructions. En cas de perte de communication avec les satellites, des communications directes avec un réseau d’antennes terrestres sont possibles.

Les instruments

Le rover Perseverance embarque au total 7 instruments.

• Mastcam-Z : ce système de caméras avancées a des capacités de prise d'images panoramiques et stéréoscopiques avec possibilité de zoom. L'instrument détermine aussi la minéralogie de la surface de Mars et aide les opérations du véhicule.
• SuperCam : l’instrument fournit des images et analyse la composition chimique et la minéralogie. Il peut aussi détecter à distance la présence de composés organiques dans les roches et la matière meuble qui les recouvre, appelée régolithe. SuperCam est aussi équipé d'un microphone, qui sert à mieux étudier les roches lors de la production du plasma et enregistre les bruits émis par le véhicule. Cet instrument comprend une contribution significative du CNES et de l’IRAP.
• PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) : il s’agit d’un spectromètre à fluorescence X qui comporte un imageur haute résolution pour déterminer la composition élémentaire à haute résolution des matériaux de surface de Mars. PIXL a une capacité de détection et d’analyse fine des éléments chimiques.
• SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals) : ce spectromètre fournit des images à haute résolution et utilise un laser ultraviolet (UV) pour déterminer la minéralogie à haute résolution et détecter les composants organiques. Premier spectromètre Raman UV sur Mars, SHERLOC fournit des mesures complémentaires aux autres instruments.
• MOXIE (Mars Oxygen ISRU Experiment) : cette expérimentation en technologie d'exploration produit de l'oxygène à partir du dioxyde de carbone atmosphérique martien.
• MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer) : un ensemble de capteurs qui fournissent des mesures de température, de vitesse et direction du vent, de pression, d'humidité relative et de taille et forme des poussières.
• RIMFAX (Radar Imager for Mars' Subsurface Exploration) : ce radar pénétrant le sol fournit la structure géologique de la subsurface avec une résolution centimétrique.

SuperCam

SuperCam est un ensemble instrumental qui réunit 5 instruments différents.

• Le spectromètre Raman / Fluorescence :après illumination par un faisceau laser, il collecte les spectres Raman et de fluorescence jusqu’à une distance de 12 mètres pour la plupart des minéraux. Ce spectromètre détecte clairement des particules organiques et identifie précisément les minéraux des roches.
• Le spectromètre LIBS (laser induced breakdown spectroscopy) : en analysant la lumière émise lors de la formation du plasma produit par le tir d’un faisceau laser, le spectromètre ultraviolet donne la composition élémentaire des roches jusqu’à une distance de 7 mètres. Le LIBS peut aussi être utilisé pour dépoussiérer les surfaces rocheuses afin de faciliter leurs analyses par d’autres instruments.
• Le spectromètre visible et infrarouge : il analyse la lumière du Soleil réfléchie par les roches dans les domaines du visible, de l’infrarouge et du proche infrarouge. Il peut être utilisé selon différentes modalités et peut identifier des roches jusqu’à une distance de 10 km.
• Le micro-imageur couleur RMI : il prend des images à haute résolution jusqu’à l’infini. Elles sont utilisées pour comprendre le contexte géologique et faciliter l’interprétation des analyses chimiques, biologiques et minérales.
• Le microphone : il enregistre le son provoqué par l’impact laser du LIBS sur la roche jusqu'à 4 m. La formation du plasma s’accompagne d’un claquement dont l’enregistrement peut donner des informations complémentaires sur la nature des roches : dureté, porosité...

Contexte

En 2012, la mission Mars Science Laboratory (MSL) de la NASA envoyait sur la planète Mars un véhicule robotisé autonome de dimensions et de capacités inédites : 900 kg dont 80 kg de charges utiles. Ce rover, Curiosity, a notamment montré que Mars avait été habitable dans un passé lointain, grâce en particulier à ChemCam, un instrument scientifique franco-américain qui caractérise les roches et les sols en analysant la lumière renvoyée par un tir laser à distance. Le rover, toujours en activité sur la planète rouge, a permis de grandes avancées sur la connaissance de la géologie et du climat martiens.

Dans le prolongement de ce programme, la NASA a développé un successeur de Curiosity pour déterminer si la planète avait réellement été habitée. Il s’agit du rover Perseverance, qui arpente le sol de Mars à la recherche de traces de vie microbienne et qui collecte des échantillons, dans l’objectif de pouvoir les rapporter sur Terre durant la prochaine décennie. Cette mission Mars 2020, s’est posé sur Mars en 2021. De conception similaire à Curiosity, Perseverance emporte de nouveaux instruments scientifiques et de nombreuses innovations instrumentales et fonctionnelles. Parmi les nouveautés, SuperCam - une version améliorée et encore plus sophistiquée que ChemCam - réunit 5 techniques de mesure pour analyser les roches. Il a bénéficié d’une contribution française majeure sous maîtrise d’ouvrage du CNES.

Les objectifs scientifiques de Perseverance sont multiples. Les investigations du rover sont destinées à caractériser les processus de formation et d’évolution de la surface martienne sur des terrains anciens sélectionnés pour leur diversité géologique. L’étude des minéraux (roches et sols) à différentes échelles jusqu’à l’échelle microscopique doit permettre de comprendre comment ils se sont formés. Elle vise aussi à confirmer l’habitabilité de la planète, en étudiant les altérations provoquées par des environnements compatibles avec la présence de formes de vies passées (environnement aqueux, présence de composés organiques).

Des résultats sont aussi attendus dans le domaine de l’exobiologie : Perseverance recherche de traces de vie anciennes en détectant d’éventuelles biosignatures sur les sites géologiques sélectionnés.

Le rover est équipé d’un système de collecte et de conservation d’échantillons. Certains instruments sont utilisés pour déterminer les sites de prélèvement adéquats et pour identifier les échantillons à stocker. Ceux-ci sont collectés puis conditionnés dans des conteneurs hermétiques, scellés et stockés au sol. L’objectif est de les récupérer et de les rapporter sur Terre dans le cadre du programme de retour d’échantillons Mars Sample Return (MSR). La NASA étudie les scénarios de futures missions pour effectuer ces retours d’échantillons dans la prochaine décennie.

Enfin, Perseverance prépare de futurs vols habités et l’exploration humaine de Mars. Sur ce volet, la mission réalise une première démonstration de technologies d’utilisation des ressources in situ (ISRU, In situ Ressource Utilization) en produisant de l'oxygène à partir du gaz carbonique de l'atmosphère martienne. Elle cherche à caractériser la taille et la morphologie des poussières atmosphériques afin de comprendre leurs effets sur les instruments, les matériaux et la santé humaine. Le rover collecte des données météorologiques à la surface pour valider les modèles atmosphériques globaux.

Déroulé du projet

À la suite du succès de la mission Mars Science Laboratoy et du rover Curiosity, la NASA lance en 2013 le projet d’une nouvelle mission d’exploration, baptisée Mars 2020. Ce programme qui fait l’objet d’une coopération internationale s’appuie sur un nouveau rover, Perseverance, reprenant dans les grandes lignes l’architecture de son prédécesseur. Au terme d’un appel d’offres international, la NASA sélectionne 7 instruments scientifiques qui seront embarqués sur le rover. Parmi les propositions retenues, l’instrument SuperCam, dont le développement fait l’objet d’un accord de coopération entre la NASA et le CNES. En 2018, la Nasa annonce que Perseverance sera également accompagné par un hélicoptère expérimental de 1,8 kg, le Mars Helicopter Scout Ingenuity.

Le site choisi pour accueillir le rover est un cratère de 50 km de diamètre, du nom de Jezero, sélectionné à la fois parce qu’il répond bien aux contraintes techniques d’un atterrissage sur Mars et pour sa diversité minéralogique et géologique. Le cratère, qui a abrité un lac et un delta de rivière par le passé, constitue potentiellement un endroit favorable à la découverte de traces de vie.

Le lancement a lieu le 30 juillet 2020 depuis la base de Cap Canaveral, en Floride, à bord d’une fusée Atlas V. Au terme d’un voyage de 9 mois, Perseverance se pose sur Mars le 18 février 2021. Initialement prévues pour durer au moins une année martienne et demie (mission nominale d’environ 1030 jours terrestres), les opérations de Perseverance se poursuivent : 4 ans jour pour jour après l’atterrissage du rover, l’instrument SuperCam a effectué son 500000^e tir laser le 18 février 2025.

Organisation

Mars 2020 est une mission de la NASA développée par le Jet Propulsion Laboratory (JPL) centre de recherche situé à Pasadena, en Californie, et géré par le California Institute of Technology (Caltech).

Le CNES est responsable de la contribution française à SuperCam, l’un des 7 instruments du rover Perseveance, qui étudie la chimie et la minéralogie des roches et des sols de Mars. Cet ensemble instrumental est développé conjointement par le Los Alamos National Laboratory (LANL, États-Unis) et l’IRAP (Toulouse), avec une contribution espagnole pilotée par l’Université de Valladolid, pour les cibles de calibration.

Le CNES, le CNRS et des universités fournissent les ressources humaines. De nombreux laboratoires ont participé à la fabrication de l’instrument, à sa qualification et à sa calibration scientifique :

• IRAP, Toulouse
• Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique (LESIA, Meudon)
• Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux (LAB)
• Laboratoire atmosphère, milieux, observation spatiales (LATMOS, Guyancourt)
• Institut supérieur de l’aéronautique et de l’espace (ISAE-Supaéro, Toulouse)
• Observatoire Midi-Pyrénées (OMP, Toulouse)
• Institut d’astrophysique spatiale (IAS, Orsay)

D’autres laboratoires français ont développé des activités qui ont contribué à la conception des instruments et participent maintenant aux opérations à la surface de Mars :

• Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble (IPAG)
• Institut des sciences de la Terre (ISTerre, Grenoble)
• Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, Paris)
• Laboratoire de planétologie et géodynamique de Nantes (LPGN)
• Laboratoire de géologie de Lyon, Terre, planète environnement (LGLTPE)
• Laboratoire ondes matières Aquitaine (LOMA, Bordeaux)
• Laboratoire de recherche en géologie GeoRessources (Nancy)
• Laboratoire de physique de l’homme appliquée à son environnement (PHASE, Toulouse)

Le centre des opérations scientifiques de SuperCam est implanté au Centre spatial de Toulouse, au sein du Focse Mars 2020. Chaque jour, en alternance avec le LANL, des ingénieurs et scientifiques français et européens surveillent et programment l’instrument, préparent les plans de mission et traitent les données scientifiques, en lien permanent avec le JPL.

Documents

Pour aller plus loin, voici des documents pédagogiques et techniques que vous pouvez télécharger :

Article de revue : Cyril Crevoisier, Cathy Clerbaux, Vincent Guidard, Eric Pequignot, Frédérick Pasternak. « Iasi-NG : un concentré d’innovations technologiques pour l’étude de l’atmosphère terrestre ». La Météorologie, 2014, 86, pp. 3-5 (PDF)

Liens externes

Pour aller plus loin, voici des liens vers des sites externes que vous pouvez consulter :

• Les satellites Metop-SG sur site de l’agence européenne Eumetsat
• Les missions météorologiques sur le site de l’Agence spatiale européenne
• IASI-NG sur le site du Laboratoire inter-universitaire des systèmes atmosphériques (LISA)

L’instrument IASI-NG

L'instrument IASI-NG, fourni par le CNES à Eumetsat, est un sondeur atmosphérique infrarouge. Il sera deux fois plus performant que son prédécesseur IASI, sur les performances de bruit radiométrique et de résolution spectrale. Les applications utilisatrices en météorologie, chimie de l’atmosphère et de climatologie seront notablement améliorées par ces performances accrues.

Le concept de l’instrument IASI-NG ne s’inscrit pas directement dans la suite de IASI du point de vue technologique ; néanmoins, les acquis du développement par le CNES et les retours de l’exploitation de IASI sont pris en compte.

Le concept de l’instrument proposé par Airbus Defence and Space et sélectionné par le CNES est fondé sur un concept innovant d’interféromètre de Mertz, une architecture optique spécifique qui sera implémentée pour la première fois dans l’espace. Cette innovation permet notamment de couvrir un champ de vue instantané très important et donc d’acquérir une grande quantité de points de sondage en même temps, ce qui contribue à l’amélioration de la résolution spectrale.

Segment sol

Le système IASI-NG, composé d'un instrument et d'un segment sol, fait partie du système Eumetsat Polar System Second Generation.

Le segment sol qui est partiellement intégré dans le segment sol EPS-SG, peut être divisé en trois entités :

• Les fonctions de commande - contrôle de IASI-NG, qui sont complètement intégrées dans la composante sol EPS-SG : elles permettent d'envoyer des télécommandes à l'instrument et d'analyser la télémesure de surveillance de l'instrument.
• Le Traitement de Niveau 1, en charge du traitement scientifique des données jusqu'au niveau 1C ; ce logiciel est intégré est mis en œuvre dans la composante sol EPS-SG.
• Le Centre d'Expertise Technique (TEC), en charge du suivi des performances de tout le système IASI-NG, modifie les paramètres de traitement lorsque c'est nécessaire, et assure les investigations et les corrections en cas d'anomalies des performances du système. Le TEC est exploité par les équipes du CNES sur le Centre Spatial de Toulouse.

La communication entre tous les éléments du système IASI-NG est assurée par le système EPS-SG. De la même façon, la dissémination des produits de niveau 1 aux utilisateurs et la fonction d'archivage sont assurées par le système EPS-SG.

Les produits de niveau 2 IASI-NG (profils de température...) sont élaborés dans le segment sol EPS-SG, sous la responsabilité d'EUMETSAT.

Metop-SG

IASI-NG sera embarqué sur un satellite METOP-SG A. Le système Metop-SG est fondé sur une paire de satellites différents, Metop-SG A et Metop-SG B, volant sur la même orbite héliosynchrone, chacun transportant une suite d'instruments différents mais complémentaires. Le système assure une continuité de données avec des performances améliorées et de nouveaux instruments pour répondre à l'évolution des demandes de la communauté météorologique.

En plus de IASI-NG, la charge utile des satellites Metop-SG est constituée des instruments suivants :

• METimage (Meteorological Imager, sur Metop-SG A) donnera des informations sur les nuages, la couverture nuageuse, les propriétés des surfaces continentales, les océans, la glace et les températures de surface, etc. L’instrument est fourni par l’agence spatiale allemande DLR.
• MWS (MicroWave Sounder, sur Metop-SG A) mesurera la température atmosphérique et les profils d'humidité.
• SCA (Scatterometer, sur Metop-SG B) fournira les vecteurs de vents de surface des océans et l'humidité des sols.
• RO (Radio Occultation sounder, sur Metop-SG A) fournira la température atmosphérique et les profils d’humidité, ainsi que des informations sur l’ionosphère (couche de l’atmosphère comprise entre 60 et 1000 km d’altitude).
• UVNS/S5 (Ultra-Violet/Visible/Near Infrared/Short Wave Infrared spectrometer -Sentinel-5, sur Metop-SG A) surveillera les divers gaz à l’état de traces, la qualité de l’air, et aidera au suivi du climat.
• MWI (MicroWave Imager, sur Metop-SG B) effectuera un suivi des précipitations et fournira des informations sur l'extension de la glace de mer.
• ICI (Ice and Cloud Imager, sur Metop-SG B) mesurera le parcours, les propriétés et l'attitude des nuages de glace.
• 3MI (Multi-viewing, Multi-channel, Multi-polarization Imager, sur Metop-SG A) donnera des informations sur les aérosols atmosphériques.
• Argos-4 DCS (Data Collection System, sur Metop-SG B) collectera et transmettra des observations et des données depuis la surface, des bouées, des bateaux, des ballons ou des plateformes de collectes de données aéroportées. DCS est fourni par l’agence américaine des océans et de l’atmosphère (NOAA) et le CNES.

Le tableau ci-dessous indique la configuration des 2 satellites :

Contexte

Depuis 2006, les instruments IASI développés par le CNES se succèdent sur les satellites Metop de l’agence européenne de météorologie Eumetsat. Ces interféromètres, qui sondent deux fois par jour l’atmosphère terrestre, ont apporté des avancées significatives en matière de prévisions météorologiques, de suivi climatique et d’étude de la composition chimique de l’atmosphère.

Un successeur développé sous la responsabilité du CNES, lancé par Ariane 6 depuis le Centre spatial guyanais, prend la relève. Son nom : IASI-NG, pour interféromètre atmosphérique de sondage infrarouge de nouvelle génération.

Alors que la nécessité d’avoir des prévisions météorologiques fiables et précises et de comprendre le climat est plus que jamais d’actualité, cet instrument à la pointe de la technologie assurera la continuité des mesures pour les deux prochaines décennies, en améliorant encore les performances de IASI. Il volera sur trois satellites Metop de seconde génération : Metop-SG A1, Metop-SG A2 et Metop-SG A3 développés par l’Agence spatiale européenne pour Eumetsat. Leurs lancements doivent s’échelonner jusqu’en 2039.

Comme son prédécesseur, le système IASI-NG observera et mesurera deux fois par jour le spectre infrarouge des radiations émises par la Terre depuis une orbite héliosynchrone, sur une bande de 2 000 km de large.

De multiples données atmosphériques au service de la météorologie

L’instrument fournira des données sur les profils atmosphériques de température et de vapeur d’eau, les températures de surface, les paramètres des nuages et les concentrations de plus de 30 gaz traces et d’aérosols. L’objectif est d’améliorer le niveau de précision, déjà très élevé, de IASI, notamment en multipliant par deux la résolution spectrale et le bruit radiométrique. Comme base de référence, les performances minimales attendues de la mission IASI-NG sont celles de IASI (précision de 1 degré pour les profils de température, et de 5% pour les profils d’humidité).

Les principaux produits dérivés de la mission incluent :

1. Profil de température
2. Profil de vapeur d'eau
3. Température de surface des océans
4. Température de surface des continents
5. Couverture nuageuse
6. Altitude du haut des nuages
7. Température en haut des nuages
8. Radiance spectrale émise au sommet de l'atmosphère
9. Émissivité de surface dans les canaux fenêtre
10. Profil d'ozone
11. Colonne totale d’ozone
12. Colonne totale et profil de monoxyde de carbone
13. Colonne totale de dioxyde de soufre volcanique
14. Colonne totale de méthane
15. Colonne totale d’ammoniac
16. Colonne totale d’acide nitrique
17. Colonne totale de dioxyde de carbone
18. Colonne totale de protoxyde d’azote

Les apports attendus concernent d’abord les prévisions météorologiques. L’objectif est d’affiner les modèles de prévision du temps aux échelles mondiale et régionales en fournissant des données réalistes de température et d’humidité, ce qui permettra d’améliorer les capacités des services nationaux météorologiques. Les performances de l’instrument répondront également aux besoins de prévisions locales et régionales à court terme, en particulier pour le suivi des instabilités et les alertes sur des événements intenses ou extrêmes.

Déroulé du projet

La décision de développer la nouvelle génération de sondeur atmosphérique IASI-NG s’inscrit dans le prolongement du succès de la mission IASI à bord du système polaire d’Eumetsat (EPS), opérationnel depuis 2006 à bord des satellites météorologiques en orbites basses Metop.

La coopération entre le CNES et Eumetsat se poursuit, avec l’ambition d’améliorer encore la collecte de données météorologiques et climatiques. En 2012, la conférence des ministres de l’Agence spatiale européenne confirme le choix de développer les satellites Metop SG (seconde génération) qui embarqueront IASI-NG. L’instrument constitue, avec le sondeur micro-ondes et l'imageur, le cœur de la mission du programme EPS-SG.

Le développement de l’instrument, en trois exemplaires, est confié à Airbus Defence and Space, sous la responsabilité du CNES et en partenariat avec de nombreux acteurs de la recherche comme le Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) et le Laboratoire atmosphères, observations spatiales (Latmos) de l’Institut Pierre-Simon Laplace et le CNRM de Météo-France.

Après plus 10 ans de développement, le premier modèle de vol de IASI-NG a été intégré au satellite Metop SG A1 en octobre 2024, en prévision d’un lancement par Ariane 6 en 2025. D’ici 2039, 3 satellites Metop SG embarquant IASI-NG seront lancés pour remplacer la constellation actuellement opérationnelle. La durée de vie visée actuellement de chaque instrument IASI-NG est de 7 ans.

Grâce à un système sol optimal, le programme IASI-NG permettra une couverture journalière permanente d’au moins 95 % de la Terre. Au-dessus de l'océan Atlantique, de l'Europe et de la Mer Méditerranée, l’objectif est d'atteindre 99 % de couverture par jour.

Organisation

Les satellites météorologiques Metop SG sont développés sous la responsabilité de l’Agence spatiale européenne dans le cadre du système polaire Eumetsat de seconde génération (EPS SG).

Le développement du programme IASI-NG fait l’objet d’un accord de partenariat entre le CNES et Eumetsat, co-financeurs du programme à hauteur de 230 M€.

Le CNES assure la maîtrise d’ouvrage du programme et, à ce titre, est responsable du développement de IASI-NG, des études de conception au choix du maître d’œuvre Airbus Defence and Space, jusqu’à l’intégration sur les satellites. Le CNES est aussi en charge du développement du segment sol, qui est partiellement intégré dans le segment sol EPS-SG. Cela comprend notamment le logiciel de traitement des données de niveau 1 et le Centre d’expertise technique en charge du suivi des performances du système IASI-NG, qui est exploité par les équipes du CNES au Centre Spatial de Toulouse. Les produits de niveau 2 IASI-NG (profils de température...) sont élaborés dans le segment sol EPS-SG, sous la responsabilité d'EUMETSAT.

Les principaux utilisateurs des observations de mission IASI-NG seront les services nationaux météorologiques et le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (ECMWF : European Centre for Medium-Range Weather Forecasts), ainsi que les organismes de recherches sur la qualité de l’air et le climat.