MicrOmega sur ExoMars

Le programme ExoMars

Comprendre les processus qui ont jalonné l’histoire primitive de Mars, en particulier à l’époque où la vie apparaissait sur Terre, et rechercher d’éventuelles traces de vie passée représentent un enjeu capital de l’exploration planétaire.

Le programme ExoMars, tel que décidé en décembre 2009 par le Conseil de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), comprend deux missions d’exploration de Mars en collaboration avec la NASA : un orbiteur accompagné d’un atterrisseur de démonstration (EDL), lancé début 2016, et un ensemble de deux rovers lancés en 2018, un européen (ExoMars rover) et un américain plus léger (NASA Rover). ExoMars est la première mission du programme d’exploration Aurora de l’ESA. Elle poursuit des objectifs à la fois scientifiques et technologiques visant à accroître les compétences de l’Europe dans l’exploration planétaire. Ses objectifs scientifiques sont :

• rechercher des signes de vie passée ou présente sur Mars
• caractériser, en fonction de la profondeur, la géochimie et le contenu en eau de la sub-surface
• étudier des gaz traces de l’atmosphère martienne et leurs sources

Le programme ExoMars

Les divers éléments du programme ExoMars ESA/NASA [image : ESA]

Le rover ExoMars, sous responsabilité de l’ESA, sera lancé en 2018. D’une masse d’environ 300 kg, il comprend une foreuse permettant de prélever des échantillons sous la surface jusqu’à 2 m de profondeur, un système de préparation et de distribution de ces échantillons (SPDS), et un ensemble d’instruments scientifiques (charge utile Pasteur, 13 kg environ) pour étudier à distance et in situ la surface et pour analyser les échantillons prélevés. La mission du rover et de la station fixe durera nominalement 180 jours martiens (sols), soit 185 jours terrestres.

La charge utile Pasteur

Les instruments à bord du rover incluent :

• des instruments d’observations panoramiques (caméras PanCam et radar WISDOM) pour cartographier le site d’atterrissage et repérer des cibles intéressantes
• des instruments de contact (microscope CLUPI et imageur multispectral Ma_MISS) pour analyser le sol et les affleurements rocheux
• un laboratoire d’analyse pour caractériser la géochimie des échantillons prélevés et analyser les composés organiques présents

L’étude des échantillons se fera à l’intérieur du rover. Les échantillons prélevés seront broyés à fin d’analyse par :

• un spectro-imageur infrarouge (MicrOmega) afin de caractériser la structure et la composition des grains composant l’échantillon. Il pourra aussi identifier des grains particulièrement intéressants comme cibles des instruments Raman et MOMA
• un spectromètre Raman pour fournir le contexte géologique et minéralogique de certains grains et rechercher des groupes fonctionnels organiques
• un diffractomètre à rayons X (Mars-XRD) visant à identifier la composition minéralogique de l’échantillon
• un analyseur MOMA comprenant un spectromètre de masse et un chromatographe en phase gazeuse (GCMS) pour la détection de molécules organiques volatiles ainsi qu’un laser pulsé couplé au spectromètre de masse (LDMS) pour étudier les macromolécules et les minéraux
• un dispositif sur puce LMC pour rechercher des biomarqueurs moléculaires et certaines molécules organiques non biogéniques

Le rover ExoMars

Le rover ExoMars prélève un échantillon rocheux sous la surface de Mars
[image : ESA]

L’instrument MicrOmega

MicrOmega est le microscope infrarouge chargé d’examiner les échantillons collectés et de caractériser la structure et la composition des grains. Il s’agit d’un imageur hyperspectral visible et infrarouge proche qui fournira pour chaque pixel imagé d’environ 20 micromètres un spectre complet allant de 0,85 à 2,5 μm avec un pas de 15 à 25 nm. L’échantillon est éclairé en lumière monochromatique par une lampe à filament de tungstène couplée à un filtre AOTF (Acousto Optical Tunable Filter). Des images de l’échantillon éclairé par des LEDs seront également enregistrées. Le détecteur, un capteur infrarouge de 256 x 256 pixels, est refroidi par un module Peltier.

L’instrument est contrôlé par une carte électronique dédiée qui assure aussi l’interface avec le rover. La masse de l’instrument est de 960 g et la puissance maximale en fonctionnement atteint 14 W.

MicrOmega représente une avancée spectaculaire par rapport aux microscopes embarqués sur les missions martiennes in situ depuis Pathfinder. Il fournira ainsi pour la première fois des images de la composition à une échelle microscopique, ce que ne fera pas Mars Science Laboratory (MSL) devant être lancé à l’automne 2011.

L’instrument CIVA-M/I à bord de Rosetta

MicrOmega-IR est adapté de l’instrument miniaturisé CIVA-M/I (hauteur 110 mm) embarqué sur l’atterrisseur Philae de la mission Rosetta [crédit : IAS]

MicrOmega bénéficie à la fois de l’héritage d’OMEGA sur Mars Express en ce qui concerne l’imagerie spectrale infrarouge et de l’instrument CIVA-M sur l’atterrisseur Philae de la mission Rosetta en matière de miniaturisation.

Structure du projet

MicrOmega est développé sous la responsabilité de l’Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS) à Orsay. Le « Principal Investigator » (PI) est Jean-Pierre Bibring. Les partenaires impliqués sont :

• Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS), Orsay
  Laboratoire maître d’œuvre, responsable de la fourniture de l’instrument global testé et étalonné, de l’interface avec le projet ExoMars, et de la définition, réalisation et étalonnage de MicrOmega
• University of Bern, Berne
  Laboratoire associé au développement de l’instrument MicrOmega
• Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique (LESIA), Meudon
  Laboratoire responsable de la fourniture de la carte électronique de MicrOmega et de la caractérisation du détecteur infrarouge
• Space Research Institute (IKI), Moscou
  Laboratoire responsable de la fourniture du filtre AOTF et de son électronique d’alimentation
• Centre de Biophysique Moléculaire (CBM), Orléans
  Laboratoire impliqué dans les activités de test et d’étalonnage

MicrOmega au LESIA

Réalisation

Le LESIA a en charge la fourniture de la carte électronique de MicrOmega ainsi que la caractérisation du détecteur infrarouge.

La carte communique avec le rover via une interface SpaceWire, elle est alimentée par des tensions de +5V et +15V fournies par le rover. Elle doit assurer les fonctions suivantes :

• gestion des télécommandes et de la télémétrie
• génération de l’alimentation radio fréquence du filtre AOTF (responsabilité IAS)
• commande du module Peltier, de la lampe et des LEDs
• commande du détecteur, acquisition et numérisation des images
• mise en forme et numérisation des informations de servitude (températures, courants, tensions)

Électronique MicrOmega-IR

Bloc diagramme de l’électronique de MicrOmega-IR

L’électronique de proximité comprend un ASIC, où est encapsulée toute l’électronique analogique de front, un FPGA, où est encapsulée l’électronique numérique assurant le contrôle de l’instrument, et un convertisseur analogique-numérique (ADC). Un ASIC est un circuit intégré, développé sur mesure, qui regroupe un grand nombre de fonctionnalités dans un très faible volume. Un FPGA est un circuit intégré logique qui est programmé après sa fabrication afin de réaliser les fonctions numériques voulues.

Électronique MicrOmega-IR

Démonstrateur de l’électronique MicrOmega-IR (en cours de réalisation au LESIA)

Le LESIA participe d’autre part au choix du détecteur infrarouge en étroite collaboration avec l’IAS et prend en charge la caractérisation des modèles de vol et de rechange. Les mesures seront effectuées sur un banc d’étalonnage développé au LESIA. La caractérisation comprend les mesures suivantes :

• courant d’obscurité en fonction de la température
• réponse en longueur d’onde
• bruit de lecture
• linéarité en flux et temps d’intégration
• réponse dynamique et charge stockable

Personnels du laboratoire impliqués

Budget et Planning

Le budget du LESIA pour le projet MicrOmega, en matériel et missions, est fourni par le CNES. Le budget prévisionnel pour toutes les phases du projet de 2007 à 2020 s’élève à 1,7 M€.

Le projet est actuellement en phase B. La « Preliminary Design Review » (PDR) a eu lieu les 5-7 novembre 2008. Le lancement est prévu en avril 2018.

Contact : Bruno Bézard