LESIA - Observatoire de Paris

SuperCam sur Mars 2020

lundi 22 août 2016, par Jean-Michel Reess

La mission Mars 2020

A bord d’une fusée Atlas V, la mission MSL (Mars Sample Laboratory) a été lancée par la Nasa le 26 novembre 2011 depuis le centre spatial Kennedy en Floride. L’objectif ambitieux de cette mission est de montrer à l’aide du véhicule Curiosity que la planète Mars a pu être habitable au cours de son histoire.

Alors que le véhicule Curiosity et sa charge utile sont toujours en opération, le rover Mars 2020 de la NASA est déjà en cours de construction à Pasadena en Californie (Décollage en 2020). Son objectif sera de trouver, si elles existent, des traces de vie sur Mars. Le but de cette mission est aussi d’identifier des roches remarquables qui seront conditionnées pour être, le cas échéant, rapportées sur Terre dans le cadre d’une future mission de retour d’échantillons martiens.

L’instrument SuperCam

L’instrument SuperCam proposé par le même consortium franco-américain que l’instrument ChemCam de Curiosity, et de nouveaux acteurs en France dont le LESIA et le LATMOS, ont été sélectionnés suite au succès de ChemCam. Comme son « grand frère » il pourra mesurer la composition chimique des roches en tirant dessus au laser (technique LIBS) et en fera une image (en couleur cette fois). Mais en plus, SuperCam pourra détecter les minéraux et s’il y a lieu de la matière organique par spectroscopie Raman et infrarouge (IR). Les différentes techniques fonctionnent à distance : jusqu’à 7 m pour le LIBS, 12 m pour le Raman, et jusqu’à l’horizon pour la spectroscopie IR et l’imagerie. Le Raman repose sur un faisceau pulsé à 532 nm et la diffusion inélastique d’un photon à plus grande longueur d’onde (émission Stokes). La spectroscopie IR couvre la bande spectrale 1.3 µm – 2.6 µm.

Comme ChemCam, l’instrument SuperCam est composé de trois modules (Mast-Unit, Body-Unit et cibles de calibration). Le Mast Unit (MU) fourni par la France est intégré sur le mât du rover, ce qui permet de pointer des cibles sur 360° en azimut et ±90° en élévation. Il est composé d’un télescope, d’un unique laser pulsé à 1064 nm ou 532 nm, d’un imageur couleur, d’un spectromètre infrarouge et d’un boitier électronique qui gère ces différents sous-systèmes. Le Body Unit (BU) est fourni par les Etats-Unis. Il est logé dans le corps du rover et contient trois spectromètres couvrant les bandes spectrales 245 – 340 nm, 340 – 465 nm et 536 – 800 nm. Le détecteur CCD de cette dernière bande spectrale est amplifié pour acquérir le signal Raman. Les cibles de calibration, qui sont trois fois plus nombreuses que sur ChemCam, sont fournies par l’Université de Valladolid en Espagne. MU et BU sont liés par la même fibre optique multimode que ChemCam. L’instrument est plus compliqué que ChemCam, mais sur une même base de ressources, environ 6 kg et 4 kg. Les performances du spectromètre IR et de la caméra couleur sont obtenues uniquement par le MU, celles des analyses LIBS et Raman sont partagées entre MU et BU.

Modèle STM (Structural and Thermal Model) de l'instrument complet (...)
Modèle STM (Structural and Thermal Model) de l’instrument complet SuperCam/MSL2020

Photo réalisée lors des essais thermiques dans la cuve SimEnOm au LESIA en avril 2016.
© Observatoire de Paris/LESIA - Photo S. Cnudde

Le spectromètre infrarouge

Le concept du spectromètre infrarouge, développé au LESIA et au LATMOS bénéficie d’un fort héritage des instruments SPICAM et SPICAV sur les missions européennes Mars Express et Venus Express. La sélection spectrale est réalisée par un filtre acousto-optique (AOTF). Le principe de l’AOTF est de diffracter le faisceau incident sur une onde acoustique créée dans un cristal biréfringent (ici en TeO2, régime de Bragg). L’onde acoustique est générée par l’application d’une radiofréquence (RF) sur un transducteur collé sur le cristal. Elle produit une modulation de l’indice de réfraction du cristal. Lorsque la fréquence RF change, la longueur d’onde diffractée change. Un spectre est donc obtenu temporellement par balayage d’une bande RF.

Cette technologie permet de concevoir un spectromètre compact, léger et sans pièce mobile. Pour SuperCam, le faisceau convergent fourni au travers d’une séparatrice est collimaté en entrée de l’AOTF. L’ordre 0 et les deux ordres diffractés sont focalisés par un objectif. Un piège à lumière est placé dans ce plan focal pour éviter de créer de la lumière parasite dans l’instrument. Les deux autres ordres sont ré-imagés sur des photodiodes HgCdTe dédiées à l’aide d’optiques de relais.

Concept du spectromètre infrarouge de SuperCam
Concept du spectromètre infrarouge de SuperCam

© Observatoire de Paris / LESIA

Implication du LESIA

Le LESIA est très impliqué à la fois dans le développement du spectromètre infrarouge (IRS) dont il a la responsabilité, mais également au niveau Mast Unit par des contributions scientifiques, la participation au management, la responsabilité de l’ingénierie système, de la thermique, des analyses mécaniques et de certains tests instruments.

Organigramme de l'instrument SuperCam IRS
Organigramme de l’instrument SuperCam IRS

Conclusion

Chaque mission spatiale vers Mars nous en apprend un peu plus sur l’histoire de cette planète, mais également sur les processus physico-chimiques qui la rendirent habitable, et plus généralement à l’exemple de la Terre, sur ces premiers instants qui vont déterminer le potentiel exobiologique d’une planète. Les prochaines missions, notamment le projet Mars 2020, promettent d’être riches en retours scientifiques et nous permettront de préparer des missions habitées vers Mars.

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