Insight : HP3 sur le sol martien

Mardi 12 février, la mission Insight vient de vivre une nouvelle étape importante sur Mars : l’installation de l’expérience HP(prononcez HP Cube).

HPa été déposé suffisamment loin de la zone où SEIS a été déployé afin d’éviter toute perturbation de mesure entre les 2 instruments.

HP3 pour étudier la température interne de Mars

L’instrument HP3 pour Heat Flow and Physical Properties Package, a pour but d’étudier l’intérieur de Mars pour en apprendre plus sur les mécanismes de formation des planètes telluriques comme Mars ou la Terre, en mesurant la température interne de la planète rouge

Vue d’artiste de l’instrument HP3 de la mission Insight, déployé à la surface de Mars (credit NASA)

La température de l’intérieur d’une planète est un paramètre important puisqu’elle conditionne l’activité géologique de la planète, son volcanisme et le mouvement tectonique. L’objectif de HPest de vérifier si Mars est encore « vivante à l’intérieur » et si la planète rouge et la Terre se sont formées à partir du même matériau.

Le principe de l’instrument est d’enfoncer une sonde de température dans le sol martien et de mesurer les différences de température à plusieurs niveaux de profondeurs. Plus on va profondément, plus la température augmente car les planètes telluriques sont plus chaudes vers le noyau. En mesurant la différence de température sur quelques mètres, on peut extrapoler la température jusqu’au centre de la planète et en avoir une meilleure idée.

Image acquise par la caméra ICC d’Insight au Sol 76, 12 février 2019, montrant le déploiement de l’instrument HP3 sur le sol martien (credit NASA/JPL-Caltech)

Cette expérience a déjà été effectuée sur la Lune lors des missions Apollo ou sur Mars. L’atterrisseur Viking 1 de la NASA n’a pénétré dans la surface martienne que de 22 centimètres, tandis que Phoenix, le cousin d’InSight, a atteint 18 centimètres sous la surface au pôle Nord. HP3 devrait être l’instrument qui creusera le plus profondément que tous les précédents bras, cuillères, forets ou sondes déployés à la surface d’un autre corps spatial que la Terre.

 

Comment marche l’instrument HP3 ?

HPest un instrument conçu et intégré par l’Agence allemande de l’aérospatiale, le DLR.

Planter une sonde dans le sol terrestre grâce à une personne est plutôt simple. Le faire avec un robot à plusieurs dizaines de millions de kilomètres est un peu plus compliqué. Après que le bras robotique d’Insight ait posé HP sur le sol, le câble de mesure de la température TEM-P, rangé dans un boîtier appelé structure de support (SS) pendant le vol entre la Terre et Mars, a été déployé à son tour.

Composants de la sonde de flux de chaleur HP3 : en haut à gauche, le radiomètre (RAD); à droite,  le boîtier avec le pénétromètre, le câble de mesure de la température (TEM-P) et le câble de données (ET) connecté à l’atterrisseur. Le boîtier contient un compteur de longueur optique permettant de déterminer la longueur du câble de mesure de température tiré du boîtier. La taupe contient le capteur de conductivité thermique actif TEM-A et l’inclinomètre. En bas à gauche, l’unité de commande électronique BEE (back end electronics), qui reste sur l’atterrisseur et qui est connectée à la sonde via l’ET (Crédit: DLR).

HP3mènera sa mission à l’aide d’une « taupe », mole en anglais, un pénétrateur sophistiqué qui va marteler sous la surface de Mars. « Mole » est un mécanisme de frappe grâce auquel la sonde creusera 5 mètres dans la surface de Mars.

Vue en coupe du pénétromètre Mole. Le moteur électrique situé au centre de la sonde (bleu) utilise un mécanisme rotatif (vert et marron) pour tendre le ressort principal près de la pointe (gris), auquel est fixé le marteau (violet). Après une rotation, le ressort est relâché et le marteau accélère vers l’avant, où il heurte l’intérieur de la pointe qui agit comme une enclume. Dans le même temps, le moteur est accéléré en arrière. Ce mouvement est absorbé par un ressort (au-dessus du moteur électrique) et de nouveau dirigé vers l’avant, entraînant un deuxième coup plus faible. Les masses et les ressorts sont conçus de telle sorte que la sonde se comporte comme une «diode» mécanique. Il pénètre dans le sol lorsque le frottement des murs absorbe le recul (Crédit: DLR)

« Mole » d’une épaisseur de 25 mm, est composé d’alliages de titane, d’acier et de tungstène. Il pèse environ un demi-kilogramme. Il est équipé d’un moteur qui soulèvera et fera tomber le marteau toutes les 3 secondes pour faire avancer la torpille de quelques millimètres. Le recul du marteau est absorbé par un ressort en haut de la torpille.

Un inclinomètre, STATIL, et la connexion avec le câble de mesure de la température sont situés dans la partie supérieure de la sonde. Les deux sont protégés des contraintes mécaniques par des ressorts d’amortissement spécialement conçus.

Tous les 50 cm, des mesures seront prises.

Diagramme schématique de la profondeur en fonction du temps illustrant les opérations de pénétration prévues du HP3. La taupe martèle d’abord jusqu’à ce que son extrémité atteigne une profondeur de 70 cm, suivie d’au moins deux Sols (jour martien) de temps de repos du mole et du régolithe martien afin d’équilibrer les températures souterraines. Une expérience de conductivité thermique est ensuite effectuée pendant un Sol, avant que l’instrument ne passe en mode veille. Les données de TEM-A seront évaluées avant de passer à la prochaine profondeur, ce qui permettra de réexécuter l’expérience de conductivité avec différents réglages de puissance de chauffage TEM-A si nécessaire. Le martelage est ensuite repris jusqu’à atteindre une profondeur de 1 m où le temps de recharge et la mesure de la conductivité thermique sont répétés. Un maximum de huit cycles supplémentaires de mesure du martèlement, du refroidissement et de la conductivité thermique sera exécuté, mais avec des intervalles de profondeur de 50 cm (credit DLR)

« Mole » fera « glisser » le câble TEM-P jusqu’à une profondeur de 5 m, afin de garantir que les mesures ne soient pas affectées par les changements de saisons rencontrés à la surface de Mars. La profondeur atteinte sera déterminée en mesurant la quantité de câble de mesure de la température TEM-P qui aura été déroulée.

Voici une vidéo de test de 2014 par le DLR montrant le déploiement du câble TEMP-P :

 

Le câble TEM-P est équipé de 14 capteurs thermiques permettant de mesurer le profil thermique du sol.

Croquis du câble de mesure de la température de HP3 indiquant la profondeur des capteurs (Crédit: DLR)

Tous les 50 centimètres, la sonde émet une impulsion de chaleur et ses capteurs surveillent l’évolution de l’impulsion thermique dans le temps. Si le matériau de la croûte est un bon conducteur de chaleur, comme le métal, l’impulsion se désintégrera rapidement. Si c’est un mauvais conducteur, comme le verre, le pouls va décroître lentement. Cela indiquera aux scientifiques à quelle vitesse la température augmente avec la profondeur et comment la chaleur circule à l’intérieur de Mars. De plus, la conductivité thermique donne des informations sur la porosité du sol et d’autres propriétés physiques.

On estime qu’au bout de 10 000 “clicks”, la torpille atteindra 5 m de profondeur. Au final, on espère que l’instrument utilisera ses 14 capteurs thermiques espacés de 35 cm chacun.

Photo d’un capteur (au centre) sur le câble de mesure de la température TEM-P de HP3. Les capteurs de température sont des capteurs PT100 avec une précision d’un millikelvin. On voit les lignes d’alimentation vers d’autres capteurs et la taupe. Les repères situés le long du bord permettent une mesure optique de la longueur du câble déroulé, permettant de déterminer la profondeur de la taupe (Crédit: DLR).

Que se passera-t-il si la sonde rencontre un gros caillou en creusant ?

Il avait été envisagé au départ d’implémenter un système de rétraction et de redéploiement de la sonde au cas où une grosse pierre apparaîtrait sur le chemin de la sonde. Cela n’a pas été fait pour des raisons de complexité et de coût.

Beaucoup de tests ont été réalisés pour estimer le risque d’être bloqué. La force du marteau est suffisante pour pouvoir pousser sur le côté d’éventuels cailloux de moins de 5 cm. Si la sonde rencontre une pierre suffisamment grosse et complètement horizontale, elle sera bloquée, mais dans le cas où la pierre serait inclinée, la sonde déviera de sa route et repartira à la verticale après la pierre. Néanmoins, la zone d’atterrissage a été choisie à partir de photos prises par des satellites, et une zone sans cailloux à la surface a été choisie.

Un radiomètre pour surveiller la température du sol martien

En complément de HP3, le DLR a développé le radiomètre RAD. Il mesurera le rayonnement infrarouge thermique de la surface de Mars et mesurera sa température de rayonnement, qui correspond approximativement à la température de surface réelle. 

Il servira à interpréter les lectures de température à différentes profondeurs de HP3, car il peut enregistrer la tendance de la température de surface. Le RAD mesurera également l’inertie thermique de la surface de Mars.

Le RAD est monté sous la plate-forme de l’atterrisseur et surveillera la zone à côté de l’atterrisseur où HP3 est installé.

Modèle CAD semi-transparent du radiomètre RAD montrant les deux ensembles de trois capteurs à thermopile (cylindres gris à surface supérieure noire) ainsi que leurs cônes de vision respectifs (violet). L’actionneur de capot anti-poussière est situé au centre de la tête du capteur. Les deux champs de vision de RAD sont indiqués en violet et sont représentés par rapport à l’atterrisseur. RAD est monté sous l’atterrisseur Insight (credit DLR)

 

Source principale de l’article : HP3 heat flow probe sur le site du DLR

En savoir plus en vidéo :

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