Observatoire de Paris Institut national de recherche scientifique français Univerité Pierre et Marie Curie Université Paris Diderot - Paris 7

SuperCam sur Mars 2020

mardi 23 juin 2020, par Jean-Michel Reess

La mission Mars 2020

En juillet 2020 décollera la prochaine mission martienne de la NASA, Mars2020. À son bord, le rover Perseverance part chercher des traces de vie fossile et identifier les échantillons qui pourraient revenir vers la Terre dans de futures missions. Sur Perseverance, l’instrument SuperCam est un couteau suisse de l’espace qui permet d’analyser le sol martien.

L’instrument SuperCam

Parmi les 7 instruments scientifiques de la mission Mars2020 se trouve l’instrument SuperCam développé conjointement par un ensemble de laboratoires (IRAP, LESIA, LATMOS, LAB, IAS, ISAE), universités et industriels français et américains (LANL). Il pourra mesurer la composition chimique des roches en tirant dessus au laser (technique LIBS) et en fera une image couleur cette fois. SuperCam pourra détecter les minéraux et 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.

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 sont fournies par l’Université de Valladolid en Espagne. MU et BU sont liés une fibre optique multimodes. 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 de vol de SuperCam-MU en calibration au LESIA
Modèle de vol de SuperCam-MU en calibration au LESIA

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.

Positionnement de l'IRS dans SuperCam
Positionnement de l’IRS dans SuperCam

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

Calendrier

Le spectromètre infrarouge modèle EQM a été livré à l’été 2017 pour intégration et tests dans le Mast Unit EQM. En Février 2018, le Mast Unit EQM est revenu au LESIA pour la calibration de l’ensemble de la voie infrarouge puis a été livré au Los Alamos National Laboratory pour couplage avec le Body Unit. Les premiers spectres sur échantillons de roches ont été obtenus avec des performances de l’ensemble très encourageantes. Les intégrations de modèle de vol ont suivi et l’instrument a été livré à l’IRAP en Mars 2019. Comme pour l’EQM le modèle de vol Mast Unit est revenu à Meudon en Mai 2019 pour la calibration de la voie infrarouge dans les nouvelles installations du CTS. L’ensemble de l’instrument SuperCam a été livré au JPL pour intégration sur le rover Perseverance et sera lancé en direction de Mars en Juillet 2020.

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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