Une machine à gravité pour préparer les missions à destination des astéroïdes

En attendant la première mission habitée sur un petit corps du Système solaire, ce qui n'est guère envisageable avant les années 2050, l'exploration robotique de ces objets, qu'il s'agisse d'astéroïdes, de comètes ou de petites lunes, va se poursuivre et même s'accélérer. Leur étude revêt une grande importance car ils sont considérés comme des vestiges et des témoins de la formation du Système solaire. En ce qui concerne les astéroïdes, ils sont également les restes des briques qui ont construit les planètes et suscitent l'intérêt de ceux qui étudient les risques d'impact avec la Terre et recherchent des techniques novatrices pour la protéger d'un objet fonçant droit sur nous ! Par ailleurs, l'exploitation des ressources extraterrestres intéresse également de nombreux chercheurs.

L'intérêt grandissant d'étudier les astéroïdes

Dans un contexte de « course à la ressource spatiale » -- qui constitue l'un des domaines de la rivalité stratégique entre la Chine et les États-Unis --, les astéroïdes et les comètes, mais dans une moindre mesure, ont un potentiel économique important. Il y a un intérêt indéniable à exploiter leur ressources en eau. En mettant en place des infrastructures capables de recueillir l'eau, puis de séparer ses molécules en oxygèneoxygène et en hydrogènehydrogène ; il serait alors possible de ravitailler les véhicules spatiaux en eau, oxygène et carburant directement dans l'espace.

Étude conceptuelle d'une infrastructure minière sur un astéroïde. © Deep Space Industries Inc.

À cela s'ajoute l'émergenceémergence de plusieurs projets d'exploitation minière des ressources en éléments rares et précieux que l'on sait présents en grandes quantités dans plusieurs centaines d'astéroïdes évoluant à proximité de la Terre, appelés « astéroïdes géocroiseurs ». Enfin, l'évolution rapide des technologies ouvre désormais la voie à des missions encore plus ambitieuses avec des capacités d'opérer sur place inédites, de prélever des échantillons sous plusieurs dizaines de centimètres dans le sous-sol par exemple.

Cependant, la conception d'une mission vers l'un de ces objets présente des défis technologiques substantiels, en particulier pour les missions de surface et de retour d'échantillons. La très faible gravitégravité, bien que présentant des avantages, impose des contraintes notables, notamment la quasi-impossibilité de mise en orbiteorbite. Il devient ainsi nécessaire de planifier des manœuvres parfois complexes et coûteuses en carburant lors des phases d'approche, d'observation et de cartographie à distance. De même, l'atterrissage et l'amarrage à la surface s'avèrent extrêmement délicats.

Une machine pour simuler la gravité de ces petits mondes

C'est donc dans ce contexte que fin novembre 2023, le Conseil européen de la recherche a octroyé à Naomi Murdoch, physicienne et planétologue à l'Isae-Supaero, une bourse de 2,3 millions d'euros sur 5 ans pour son projet « Gravite » qui vise à développer une machine simulant la gravité variable pour l'étude des sols extraterrestres.

En se concentrant sur la prédiction et l'interprétation des propriétés mécaniques des surfaces planétaires, Gravite cherche à repousser les limites des techniques actuelles et à développer de nouveaux modèles. À travers la création d'une machine à gravité variable, à la pointe de la science planétaire, ce projet novateur vise à simuler des conditions allant jusqu'à mille fois moins la gravité terrestre, reproduisant ainsi les surfaces de petits corps tels que les astéroïdes, les comètes et les petites lunes. L'objectif final est de fournir des modèles géotechniques adaptés aux environnements extraterrestres, bénéficiant à l'avancement de l'exploration planétaire.

Ce projet a pour but de prédire et d'interpréter le comportement, et les propriétés mécaniques de la surface des corps planétaires constituent un thème de recherche en plein essor. Gravite se fixe pour objectif de tester les limites des techniques existantes, et de développer de nouveaux modèles qui prendront en compte la nature diverse des surfaces planétaires ainsi que l'environnement de gravité réduite.

Naomi Murdoch, physicienne et planétologue à l’Isae-Supaero. © Isae-Supaero

La parole à Naomi Murdoch :

Futura : En quoi vos travaux seront-ils utiles à la défense planétaire ? La compréhension de la structure interne des astéroïdes et de leur réaction aux impacts pourrait-elle être bénéfique pour la défense planétaire et aider à développer des stratégies pour dévier les astéroïdes potentiellement dangereux ?

Naomi Murdoch : Ces travaux ne visent pas à étudier directement la structure interne car nous nous focalisons plutôt sur le comportement de la surface-sub-surface. Ceci dit, nos travaux sont très pertinents pour la conception d'instruments, comme des sismomètressismomètres, destinés à sonder la structure interne in situ (c'est-à-dire à la surface) et pour l'interprétation des données provenant de ces instruments. En particulier, un sismomètre serait parfait pour être inclus dans un petit atterrisseur visant une cible telle que l'astéroïde Apophis : un sismomètre pourrait mesurer la sismicité induite par la force de maréeforce de marée lors de sa rencontre rapprochée avec la Terre.

Pourquoi vos travaux présentent-ils des implications pour l'exploitation des ressources des petits corps célestes ?

Naomi Murdoch : Les travaux du projet Gravite seront également pleinement applicables aux petits corps. Nos expériences pourront atteindre un niveau de gravité de 1/1 000 de la gravité terrestre, ce qui est du même ordre de grandeurordre de grandeur que la gravité sur PhobosPhobos, la lune de Mars. Phobos est la destination du rover Idefix de la mission MMX. Je suis moi-même la responsable scientifique pour les caméras sur le ventre du roverrover Idefix. Ces caméras ont pour objectif d'observer la locomotion -- c'est la première fois qu'on essaie de rouler dans un environnement de gravité aussi faible -- et de caractériser la surface. Nous travaillons activement, surtout avec des simulations numériquessimulations numériques, sur la problématique de se déplacer à la surface de cette petite lune, et nos résultats expérimentaux dans le cadre du projet Gravite contribueront également à ces efforts.

Les résultats obtenus par le projet Gravite seront également utilisés pour mieux prédire l'atterrissage des CubeSatsCubeSats (Juventas, Milani) de la mission européenne Hera. Même si nous ne pouvons pas recréer la gravité d'un astéroïde aussi petit que Dimorphos, nos études nous informeront sur le rôle de la gravité dans les interactions, un élément extrêmement important. Les deux petites sondes (Juventas, Milani) mesureront également (avec des accéléromètresaccéléromètres embarqués) ce qui se passe pendant la phase d'atterrissage. Les résultats de Gravite aideront à assurer la bonne interprétation des données provenant de ces capteurscapteurs. Pour plus de contexte : je suis une co-investigatrice de la mission HeraHera et responsable de la détermination des propriétés mécaniques de la surface de l'astéroïde Dimorphos (la cible de l'impact DartDart).

Nos résultats pourraient aider toute mission qui a comme objectif d'interagir avec les surfaces planétaires. 

Qu'est-ce un modèle géotechnique ? Quels sont ses intérêts pour une agence spatiale qui déciderait d'envoyer une sonde sur un astéroïde ou une comète, par exemple ?

Naomi Murdoch : Les modèles géotechniques expliquent comment se comporte un sol. Une compréhension de la manière dont le sol se comporte sur une surface planétaire est importante pour toutes les interactions avec ces surfaces, et ces modèles sont utilisés dans la conception d'outils, d'instruments, de véhicules, et même d'habitats. Avoir une meilleure compréhension du comportement de ces sols contribuera à réduire le risque et améliorer les performances des futurs instruments et missions.

Quels sont les apports supplémentaires de vos travaux par rapport à ce qui se fait aujourd'hui pour préparer une mission spatiale à destination d’un petit corps ?

Naomi Murdoch : L'exploration robotiquerobotique et humaine de l'espace se poursuit depuis plus de 50 ans, mais les surfaces planétaires ne se comportent pas toujours comme prévu. Il n'est pas facile d'étudier les surfaces planétaires : elles sont de nature diverse, et les gravités varient énormément d'un corps à un autre. Notre compréhension actuelle repose sur des données éparses venant des missions spatiales, des simulations numériques et des extrapolations non testées.

Dans le cadre du projet Gravite, nous allons développer une machine à gravité variable qui sera capable d'ajuster le niveau de gravité de chaque expérience individuelle sur trois ordres de grandeur (10-3 - 1 g, où g est la gravité terrestre). Nous allons l'utiliser pour réaliser des expériences qui recréent l'environnement gravitationnel à la surface de différents corps afin d'étudier directement l'influence de la gravité sur le comportement des sols.

Largué par la sonde Hayabusa-2, le petit robot Mascot est ici vu au-dessus de l’astéroïde Ryugu lors de son atterrissage. © Jaxa, Cnes

Quels sont les exemples de missions confrontées à une surface qui ne s’est pas comportée comme prévu ?

Naomi Murdoch : Voici trois exemples de comportement surprenant des surfaces planétaires et comment nos résultats auraient pu potentiellement aidé :

• Le premier échantillon de régolitherégolithe prélevé par la foreuse du rover martien Perseverance (NasaNasa) en 2021 a tout simplement « disparu ». L'équipe de Persévérance attribue cela au matériaumatériau de la surface martienne qui ne réagit pas comme nous l'attendions pendant la carottagecarottage. PerseverancePerseverance a maintenant prélevé de nombreux échantillons (des échantillons plus durs, plus compacts), mais une compréhension améliorée du sol martien aurait peut-être permis de concevoir un mécanisme capable de prélever tous les types de régolithe martien.
• Un autre exemple est celui de la mission Osiris-Rex qui a prélevé un échantillon de l'astéroïde Bennu : la surface de l'astéroïde semblait solidesolide mais, lorsque la sonde spatiale l'a touchée, la surface s'est dispersée comme un liquideliquide. Une partie importante de la conception de la mission Osiris-RexOsiris-Rex s'est concentrée sur la conception du mécanisme d'échantillonnageéchantillonnage, ce qui a été un défi compte tenu du manque de connaissance sur le comportement des surfaces d'astéroïdes. Le mécanisme a bien fonctionné, mais en réalité, le vaisseau spatial a collecté tellement de matériaux de la surface de l'astéroïde que le couvercle du mécanisme d'échantillonnage s'est coincé ouvert, provoquant une fuite de matériau vers l'espace. Heureusement, l'équipe a pu stocker rapidement l'échantillon dans la capsule de retour d'échantillons et ramener sur Terre une massemasse très significative.
• La mission InSight vers Mars a été un grand succès grâce à son sismomètre français, mais il y avait un autre instrument à bord : une petite taupe allemande (HP3) qui devait creuser jusqu'à 3 mètres de profondeur dans le sol martien. Malheureusement, malgré tous les tests pendant le développement, ce pénétrateur n'a pas pu descendre de plus de quelques dizaines de centimètres (et avec beaucoup d'aide). Une meilleure compréhension de la surface martienne aurait pu contribuer à améliorer la conception de l'instrument et à augmenter ses chances de succès.

Quelques détails techniques sur votre machine à gravité ?

Naomi Murdoch : Notre machine -- une tour de 5 à 8 mètres de haut -- sera capable d'ajuster le niveau de gravité de chaque expérience individuelle sur trois ordres de grandeur (1 g jusqu'à 1/1000 g, où g est la gravité terrestre). Cela sera basé sur un prototype que nous avons construit et utilisé à l'Isae-Supaero mais avec de bien meilleures performances. La phase de conception de cette tour -- une partie très importante du projet car ce n'est pas un produit qui existe sur étagère -- débutera l'été prochain avec une mise en opération prévue pour début 2026.