EscaPADE, la nouvelle mission martienne de la NASA

EscaPADE est une mission martienne de la NASA à deux satellites conçue pour révolutionner la compréhension de la magnétosphère hybride unique de Mars et elle étudiera les mécanismes qui contribuent à la perte de la majeure partie de l’atmosphère de la planète. Ces découvertes sont essentielles pour expliquer comment le climat de la planète rouge a évolué au fil du temps.

Deux satellites pour mesurer le plasma martien

EscaPADE est la contraction de Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers, pour Explorateurs d’évasion et d’accélération et de dynamique du plasma.

Mars a une atmosphère très ténue comparée à celle de la Terre, avec une pression environ 100 fois plus faible. Mars possédait autrefois une atmosphère beaucoup plus dense, mais elle a perdu la majeure partie de cette atmosphère au fil du temps. La cause principale de cette perte est l’érosion par le vent solaire, un flux de particules chargées émises par le Soleil. Mars avait initialement un champ magnétique global qui agissait comme un bouclier pour protéger son atmosphère. Ce champ magnétique s’est quasiment éteint quand le noyau métallique de la planète s’est refroidi et solidifié en grande partie. Sans cette protection, le vent solaire interagit directement avec l’atmosphère martienne, arrachant ses particules dans l’espace, notamment par un processus appelé « pulvérisation » ou sputtering, où les particules rapides du vent solaire frappent et expulsent les atomes atmosphériques. La perte de l’atmosphère a entraîné la disparition de l’eau liquide stable à sa surface.

Mieux connaître le plasma, résultant principalement de l’interaction entre le vent solaire et l’atmosphère martienne très ténue, permettrait de mieux comprendre la structure, la composition, la variabilité et la dynamique de la magnétosphère hybride de Mars, qui combine des caractéristiques de magnétosphères intrinsèques et induites. Étudier les processus d’échappement atmosphérique comme l’échappement ionique et la « pulvérisation », permet d’en savoir plus sur l’évolution du climat martien.

Les missions MAVEN de la NASA et Mars Express de l’ESA ont fourni des données importantes sur le plasma entourant la planète MARS, mais leurs orbites non coordonnées et l’absence de certains instruments scientifiques (Mars Express n’avait pas de magnétomètre) limitent la capacité à mesurer la variabilité spatiale et temporelle ainsi que la réponse rapide aux conditions changeantes du vent solaire.

Deux satellites fabriqués par Rocket Lab pour la NASA

EscaPADE est l’une des trois missions sélectionnées en 2019 par le programme SIMPLEx (Small Innovative Missions for Planetary Exploration) de la NASA, un programme spatial consacré à l’exploration planétaire à faible coût (moins de 55 millions de dollars hors lancement). Il se concentre sur des missions avec de petits engins spatiaux (moins de 180 kg) qui sont conçus pour être développés rapidement et lancés en tant que charges utiles secondaires sur des missions plus importantes.

EscaPADE utilisera deux satellites identiques sur des orbites elliptiques (200 km x ~7000 km) autour de Mars, équipés d’instruments in situ pour mesurer le champ magnétique, les distributions des ions (légers et lourds), les flux d’électrons suprathermiques et les densités électroniques et ioniques thermiques, grâce à des observations simultanées depuis différents endroits autour de Mars.

Ces observations devraient révéler la réponse en temps réel de la planète martienne à la météo spatiale et comment la magnétosphère martienne évolue au fil du temps.

Les 2 satellites devaient initialement décoller avec la mission Psyche de la NASA comme passagers secondaires. EscaPADE devait être déposé lorsque Psyche survolerait Mars en route vers l’astéroïde Psyche. Mais en raison du choix du lanceur Falcon Heavy, la trajectoire n’était plus optimale pour EscaPADE. Les performances d’un Falcon Heavy étaient nécessaires pour que Psyché atteigne l’orbite requise mais cela aurait nécessité qu’EscaPADE entre dans une phase de croisière prolongée pour se mettre sur sa bonne orbite. Puis la mission a été reportée sur le vol inaugural de New Glenn prévu initialement en 2024. Cependant, le lanceur n’a pas été prêt à temps pour la fenêtre de lancement réduite pour le vol vers Mars, New Glenn faisant son vol inaugural le 16 janvier dernier.

Finalement les 2 satellites ont décollé sur le deuxième lanceur New Glenn ce 13 novembre.

Les deux satellites EscaPADE, surnommés « Blue » et « Gold » (bleu et or) en l’honneur des couleurs scolaires de l’Université de Berkeley, responsable scientifique de la mission, ont été fabriqués par Rocket Lab HQ en Californie, sur la base de la plateforme Photon.

Photon a envoyé la mission CAPSTONE sur son orbite de croisière vers la Lune en tant que « bus » transportant la mission lunaire mais cette fois-ci Photon sera utilisé en tant que satellite à part entière.

Ils ont une masse d’environ 120 kg sans carburant, propulsés par des moteurs HyperCurie avec une capacité de ΔV de plus de 2 500 m/s. En configuration lancement (repliée), ils mesurent chacun 1,20 m x 1,65 m x 1,09 et jusqu’à 4,88 m lorsque les panneaux solaires sont déployés.

Rocket Lab a utilisé des sous-systèmes et des composants satellitaires fiables et éprouvés en vol tels que : panneaux solaires, senseurs stellaires, réservoirs de propulsion, roues à réaction, systèmes de contrôle de réaction (RCS), radios, systèmes de séparation, isolation multicouche, packs de batteries, système de contrôle thermique, structures composites et ordinateurs de vol.

Les 2 sondes sont équipées de 2 caméras et 3 instruments scientifiques :

• Magnétomètre EMAG : Il mesure l’intensité et la direction du champ magnétique de Mars avec une grande précision, permettant de comprendre la structure magnétique de la planète.
• Instrument EESA (Electron and Ion Spectrometer for Energetic and Suprathermal Particles) : Il mesure les ions et électrons suprathermiques, notamment leur énergie et leur origine approximative. Il analyse les particules ayant une masse atomique entre 4 et 16 et des énergies entre 2 eV et 20 keV.
• Instrument ELP (Electric Field and Langmuir Probe) : Il mesure la densité et les propriétés électriques du plasma dans l’environnement martien, y compris le potentiel électrique et l’énergie électrique.
• Les caméras VISIONS (VISible and Infrared ObservatioN System), à double longueur d’onde, visible et infrarouge, conçues pour prendre des images de Mars depuis l’orbite. 

Une trajectoire inédite vers Mars

Outre ses missions principales, EscaPADE sera également le pionnier d’une nouvelle trajectoire vers Mars. En règle générale, les missions vers Mars sont lancées dans une fenêtre réduite de quelques semaines seulement tous les 26 mois, qui permet à la sonde d’emprunter l’itinéraire le plus économe en carburant : une trajectoire elliptique qui permet à la sonde de quitter l’orbite terrestre et de s’insérer dans l’orbite martienne juste au bon moment pour attraper la planète rouge alors qu’elle passe à toute vitesse. Les trajectoires durent généralement entre 7 et 11 mois. Jusqu’à présent, toutes les missions vers Mars ont utilisé cette trajectoire, appelée transfert de Hohmann, qui limite les lancements à cet alignement une fois tous les deux ans entre la Terre et Mars.

EscaPADE va rejoindre le point de Lagrange L2, un endroit où l’attraction gravitationnelle du Soleil et de la Terre est égale, et fera une boucle autour de celui-ci sur une orbite paresseuse en forme de « haricot » de 12 mois qui le ramènera finalement vers la Terre début novembre 2026. À son approche la plus proche, EscaPADE allumera ses moteurs, appelée Trans-Mars Injection (TMI), pour contourner la Terre et se dirigera vers Mars lors de son alignement semestriel avec la Terre. Puis les sondes effectueront une trajectoire interplanétaire balistique.

Les 2 sondes arriveront en orbite martienne en septembre 2027.

L’insertion en orbite autour de Mars place les sondes Blue et Gold sur une grande orbite de capture. Fin 2027, les orbites seront réduites et synchronisées pendant plusieurs mois.

La mission scientifique devrait commencer au printemps 2028 pour 11 mois.

Pour Rocket Lab, cette seconde mission extra-planétaire après l’orbiteur lunaire CAPSTONE, est une nouvelle étape dans les ambitions d’exploration de l’entreprise fondée par le Néo-zélandais Peter Beck. Rocket Lab ambitionne de lancer sa propre sonde vers Vénus et a dernièrement proposé un concept de satellites en orbite martienne pour le relais des télécommunications, Mars Telecommunications Orbiter (MTO), pour répondre aux ambitions de la NASA et de la Maison Blanche de vols habités vers Mars dans les prochaines décennies.

EscaPADE relève de la division héliophysique de la NASA mais la mission est dirigée par le laboratoire des sciences spatiales (SSL) de l’Université de Californie à Berkeley. Il s’agit de la première mission planétaire du laboratoire. SSL est responsable de la gestion des missions, de l’ingénierie des systèmes, du leadership scientifique, de la navigation, des opérations, des analyseurs électrostatiques d’électrons et d’ions, ainsi que du traitement et de l’archivage des données scientifiques.

Image de couverture : illustration des sondes autour de Mars, crédits Rocket Lab USA/UC Berkeley

Sources principales : NASA, Rocket Lab et UC Berkeley Space Sciences Laboratory.