Essais de fonctionnement et d'utilisation du foret du rover ExoMars. Le jumeau du rover Rosalind Franklin de l’ESA a foré et extrait des échantillons à 1,7 mètre de profondeur. © Thales Alenia Space
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Le rover ExoMars a réussi son premier forage en profondeur… sur Terre

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[EN VIDÉO] ExoMars 2020 : regardez comment le rover se relèvera sur Mars  Découvrez comment le rover ExoMars Rosalind Franklin se mettra sur ses roues avant de rouler sur la surface de Mars. En effet, pour des questions et d’encombrement et de stabilité, les ingénieurs d’Airbus ont décidé d’installer le rover de l'Agence spatiale européenne sur la plateforme d’atterrissage Kazachok, les roues repliées. 

Dans un an, le 20 septembre 2022, le rover Rosalind Franklin de l'ESA sera lancé à destination de Mars pour y chercher des traces de vie. Comment ? en forant son sous-sol jusqu'à une profondeur de près de deux mètres. Il y a quelques jours, Thales Alenia Space a testé avec succès le fonctionnement du foret jusqu'à une profondeur de 1,70 mètre. Les explications d'Andrea Merlo, responsable robotique et mécatronique chez Thales Alenia Space en charge de la maîtrise d'œuvre du programme dans son ensemble.

Comme l'explique l'Agence spatiale européenne, le rover Rosalind Franklin est « conçu pour forer à une profondeur suffisante, jusqu'à deux mètres, pour accéder à des matières organiques bien conservées datant de quatre milliards d'années, lorsque les conditions à la surface de Mars ressemblaient davantage à celles de la Terre en formation ». Jusqu'à présent, aucun rover -- ou lander -- sur Mars n'a foré aussi profondément !

La technologie, adaptée à l'environnement martien, et mise au point pour réaliser un foret capable de s'enfoncer aussi loin, est nouvelle. Tout comme le mode de fonctionnement du foret. Il y a quelques jours, les équipes de Leonardo, qui ont développé le foret, et de Thales Alenia Space, maître d'œuvre du programme ExoMars, ont donc testé cet équipement avec succès.

Le jumeau du Rosalind Franklin a foré dans un puits rempli d'un ensemble de diverses variétés de roches et de couches de sol. Le premier échantillon a été prélevé à partir d'un bloc cimenté d'argile de dureté moyenne. Ce forage a eu lieu sur une plateforme dédiée inclinée à sept degrés pour simuler le prélèvement d'un échantillon dans une position pas complètement verticale.

Forer et extraire sur Terre des échantillons à 1,70 mètre de profondeur est bien plus important que tout ce qui n’a jamais été tenté jusqu’ici par un rover martien

Des échantillons à 1,70 mètre de profondeur ont été prélevés, ce qui est bien plus important que tout ce qui n'a jamais été tenté jusqu'ici par un rover martien ! Les échantillons en question ont une forme de pastille d'environ un centimètre de diamètre et de deux centimètres d'épaisseur.

« La collecte fiable d'échantillons en profondeur est la clé de l'objectif scientifique principal d'ExoMars : étudier la composition chimique des sols qui n'ont pas été soumis à des rayonnements ionisants dommageables, et ainsi détecter d'éventuels signes de vie », explique le chercheur du projet ExoMars, Jorge Vago.

Le 20 septembre 2022, le rover Rosalind Franklin de l’ESA sera lancé vers Mars pour y chercher des traces de vie en forant son sous-sol jusqu'à une profondeur de près de deux mètres. © ESA

Un foret unique pour Mars

Ce foret est un assemblage de mécanismes qui répondent à une chorégraphie automatisée : une série d'outils, de tiges de montage et d'extension est montée pour former une « colonne de forage » qui peut atteindre la longueur totale de deux mètres lorsqu'ils sont tous sont connectés ensemble.

Le foret, qui fonctionne en rotation, peut pénétrer dans le sol à 60 rotations par minute, en fonction de la consistance du sol. Dans des matériaux solides, sableux ou argileux, il est possible de creuser entre 0,3 et 30 mm par minute. Il est également équipé d'un positionneur doté d'une liberté de deux degrés qui lui permet de décharger l'échantillon à angle droit dans le laboratoire du rover.

Le modèle de test (le jumeau) du rover Rosalind Franklin de l’ESA sur un terrain martien simulé. © Thales Alenia Space

La parole à Andrea Merlo, responsable robotique et mécatronique chez Thales Alenia Space et ingénieur fonctionnel sur le rover ExoMars Rosalind Franklin

Futura : Un défi de taille ?

Andrea Merlo : Oui. Percer des pierres dures à une profondeur de deux mètres sur une plateforme mobile dotée de roues avec une puissance de moins de 100 watts est une tâche complexe.

Futura : Avez-vous rencontré des problèmes techniques particuliers, notamment dans le fonctionnement des trois rallonges ?

Andrea Merlo : Les opérations de forage se sont parfaitement déroulées avec le jumeau terrestre du rover ExoMars. Compte tenu de la difficulté des conditions de cet essai (par exemple, inclinaison du véhicule, perçage d'une pierre très dure), plusieurs arrêts et réglages paramétriques ont été nécessaires pour accomplir la tâche.

Pourquoi 1,70 mètre ? Le but n’est-il pas d’atteindre 2 mètres de profondeur ?

Andrea Merlo : Le foret du rover ExoMars est capable d'atteindre 2 m de profondeur, mais l'objectif scientifique réel est de descendre en dessous de 1,50 m ; au dessus de cette profondeur, la surface de Mars est stérile à cause de la rigueur du climat. L'objectif de forer jusqu'à 1,70 m a été considéré comme suffisamment représentatif d'un point de vue fonctionnel et scientifique. Bien sûr, le foret a atteint plusieurs fois la profondeur limite pour les besoins de la qualification.

Combien de temps pour atteindre 1,70 mètre ?

Andrea Merlo : Les performances de forage sont étroitement liées au type de terrain et au volume de données recueillies pour caractériser la subsurface (l'outil de forage comprend le spectromètre-imageur Ma_Miss (Mars Multispectral Imager for Subsurface Studies) pour analyser la paroi du trou foré). Les performances optimales de l'outil sont les suivantes : vitesse de forage : 0,5-45 mn/min (selon le type de terrain), temps de montage/démontage des tiges d'extension : ~30 min.

Techniquement, y a-t-il des « points » à revoir ?

Andrea Merlo : Le principal objectif de cet essai complet réalisé avec le jumeau terrestre du rover sur un terrain représentatif du sol de Mars était de valider le système et d'affiner les procédures opérationnelles qui devront être exécutées sur la Planète rouge. Et les enseignements sont nombreux. Les résultats de l'essai sont actuellement analysés par l'équipe d'ingénieurs pour calculer les paramètres qui seront optimums pour l'opération réelle.

Des bonnes surprises ? Par exemple concernant la puissance de forage par rapport à l’énergie disponible, le temps de forage pour atteindre le 1,70 m, la consommation d'énergie ou l’échauffement du foret ?

Andrea Merlo :  Il n'y a pas eu de grosses surprises jusqu'à présent. Le système de forage a été qualifié en mode autonome et ses performances sont toujours les mêmes aujourd'hui, alors que la limite de vie nominale a été dépassée.

Le foret s’est-il dégradé, même si c'est invisible à l’œil nu ?

Andrea Merlo : Le jumeau terrestre du rover ExoMars est un mélange de modèles de qualification, ce qui fait que toutes les parties ont déjà subi des contraintes dépassant leur durée de vie prévue pour prouver leur aptitude aux opérations sur Mars. Cependant, la dégradation est minimale et la fonctionnalité est préservée. Pour ce test, aucune dégradation n'a été observée.

Lors de ces essais de forage, avez-vous utilisé le radar, la caméra, la lumière ?

Andrea Merlo : Les opérations de forage ont été suivies par deux caméras haute résolution placées respectivement sur le coffre de la foreuse (Clupi) et au sommet du mât du rover (PanCam). Ces caméras permettent d'observer le déroulement des opérations. De plus, le sous-sol proche de la surface est caractérisé avant le forage à l'aide du radar Wisdom.

Pour en savoir plus

En image : le foret d'ExoMars en développement

Article de Rémy Decourt publié le 16 octobre 2013

Le sous-sol martien est un des futurs objectifs de l'exploration robotique à laquelle se préparent l'Agence spatiale européenne, Roscosmos et Thales Alenia Space. À ce jour, aucun engin n'a creusé plus que quelques centimètres : le rover d'ExoMars 2018 devrait réaliser des trous profonds de deux mètres. Une avancée considérable pour l'étude de la Planète rouge.

Pour sa première mission de surface sur Mars, et tenir son rang de troisième puissance spatiale mondiale, les ambitions de l'Europe sont grandes. En effet, quitte à aller sur Mars, autant innover ! L'Esa fait donc le pari de poser sur la Planète rouge un foret capable de creuser le sous-sol jusqu'à une profondeur de deux mètres. Une première. À titre de comparaison, Curiosity est capable de creuser un trou de seulement cinq centimètres.

Pour y parvenir, l'Esa a planifié deux missions, celle de 2016 qui doit permettre à l'Europe d'apprendre à se poser sur Mars, et celle de 2018 qui verra un rover débarquer pour une mission d'exploration de six mois. Ce programme, réalisé en coopération avec la Russie prévoit la construction de quatre engins réalisés sous la maîtrise d'œuvre de Thales Alenia Space : l'orbiteur Trace Gas Orbiter et l'atterrisseur EDM pour ExoMars 2016, puis une plateforme d'atterrissage et un rover pour ExoMars 2018.

Cela dit, ce ne sera pas la première fois que l'Europe tente un atterrissage extraterrestre. L'échec de Beagle 2 ne doit pas faire oublier qu'en janvier 2005 la sonde européenne Huygens se posait en douceur sur Titan, signant un authentique exploit technologique et un remarquable succès scientifique.

Réalisé sous la maîtrise d'œuvre de Thales Alenia Space, le rover ExoMars 2018 devrait atterrir sur Mars en fin d'année 2018. © Esa, mars 2013

L'histoire de l'exploration martienne alterne échecs et succès. On se rappellera les échecs du lancement de la sonde russe Phobos-Grunt (novembre 2011), de la Britannique Beagle 2 (décembre 2003) et des missions américaines Mars Climate Orbiter (septembre 1999) et Mars Polar Lander (décembre 1999). Cela dit, depuis le milieu des années 2000, on constate que la phase de rentrée atmosphérique est bien mieux maîtrisée, comme en témoignent les atterrissages réussis de Spirit et Opportunity en janvier 2004, de Phoenix en mai 2008, et de Curiosity en août 2012.

Chercher dans le sous-sol ce que l’on ne trouve pas en surface

Après quatre décennies d'exploration, les scientifiques sont arrivés à la conclusion que dans son passé, Mars était plus humide et sans doute plus chaude qu'aujourd'hui. Mieux encore, ils ont l'intime conviction qu'elle était vraisemblablement habitable sans que l'on sache à quelle époque et pendant combien de temps. Mais alors, où chercher ces indices liés à l'habitabilité de la planète et à une hypothétique vie martienne éteinte ou en activité ? Dans le sous-sol, avec ExoMars 2018.

Comme l'ont montré les missions précédentes, il faut savoir que les traces recherchées ne sont pas sur la surface de Mars. Effectivement, cette surface est complètement stérile, car balayée par des rayonnements spatiaux et ultraviolets qui tuent bactéries et spores - si tant est qu'elles existent - en seulement quelques minutes et dégradent les acides aminés en quelques heures.

Construit par l'entreprise italienne Selex Galileo, le foret est testé afin de s'assurer qu'il pourra percer le sous-sol martien, quel que soit le terrain. © Thales Alenia Space

Le foret d’Exomars 2018 sera guidé par un radar

Pour percer cette surface, le rover ExoMars 2018 utilisera un foret qui pourra s'enfoncer dans le sous-sol martien jusqu'à une profondeur de deux mètres et récupérer des échantillons longs d'environ 30 mm et de 10 mm de diamètre. Ils seront ensuite distribués, traités et analysés par le laboratoire d'analyse du rover. Il est doté d'un spectromètre très compact qui fonctionne dans le visible et l'infrarouge, et d'une lampe afin d'analyser la lumière réfléchie.

D'une masse de 21 kg, ce foret est un outil équipé de trois rallonges. Avec une poussée verticale pouvant aller jusqu'à 450 newtons (N), il perforera le sous-sol à une vitesse comprise entre 0,3 et 20 mm par minute. Quant au couple, ou moment de force, il sera compris entre 1 et 6 newtons-mètres (Nm). Fixé au rover il n'aura qu'une faible liberté de mouvement de 2° et nécessitera une puissance de 80 watts pour fonctionner.

Enfin, cet instrument ne va pas creuser à l'aveugle : un radar renseignera les scientifiques, et sera capable de faire des mesures du sous-sol jusqu'à cinq mètres avec des résolutions de l'ordre de seulement deux centimètres. 

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