Mission de retour d'échantillons - Sample-return mission

Le rocher Genesis , rendu par la mission lunaire Apollo 15 en 1971.
Les astronautes d'Apollo travaillent sur la Lune pour collecter des échantillons et explorer. Près du cratère Shorty, ils ont trouvé du régolithe lunaire orange.

Une mission de retour d'échantillons est une mission d' engin spatial pour collecter et renvoyer des échantillons d'un emplacement extraterrestre vers la Terre pour analyse. Les missions de retour d'échantillons peuvent ramener simplement des atomes et des molécules ou un dépôt de composés complexes tels que des matériaux meubles et des roches. Ces échantillons peuvent être obtenus de plusieurs manières, telles que l'excavation de sol et de roche ou un réseau collecteur utilisé pour capturer des particules de vent solaire ou de débris cométaires.

À ce jour, des échantillons de roche lunaire de la Terre Lune ont été recueillies par les missions robotiques et avec équipage, la comète Wild 2 et les astéroïdes 25143 Itokawa et 162173 Ryugu ont été visités par des vaisseaux spatiaux robotique qui a renvoyé des échantillons sur Terre, et des échantillons du vent solaire ont été renvoyé par la mission robotique Genesis . Des échantillons de l'astéroïde 101955 Bennu sont en route vers la Terre et devraient arriver en septembre 2023.

En plus des missions de retour d'échantillons, des échantillons de trois corps non terrestres identifiés ont été collectés par d'autres moyens que des missions de retour d'échantillons : des échantillons de la Lune sous forme de météorites lunaires , des échantillons de Mars sous forme de météorites martiennes , et échantillons de Vesta sous forme de météorites HED .

Utilisation scientifique

Le motif de Widmanstätten que l'on peut trouver à l'intérieur des météorites fer-nickel, qui aurait la même classification que l'astéroïde 16 Psyche .
Une météorite probablement de l'astéroïde (4) Vesta qui est tombée sur l'Afrique. Le retour d'échantillons peut aider à corroborer l'analyse des météorites et les résultats astronomiques.
Une autre météorite proviendrait de l'ancienne Mars

Les échantillons disponibles sur Terre peuvent être analysés en laboratoire , ce qui nous permet d'approfondir notre compréhension et nos connaissances dans le cadre de la découverte et de l'exploration du système solaire . Jusqu'à présent, de nombreuses découvertes scientifiques importantes sur le système solaire ont été faites à distance avec des télescopes , et certains corps du système solaire ont été visités par des engins spatiaux en orbite ou même à l'atterrissage avec des instruments capables de télédétection ou d'analyse d'échantillons. Bien qu'une telle enquête sur le système solaire soit techniquement plus facile qu'une mission de retour d'échantillons, les outils scientifiques disponibles sur Terre pour étudier de tels échantillons sont bien plus avancés et diversifiés que ceux qui peuvent être embarqués sur des engins spatiaux. De plus, l'analyse d'échantillons sur Terre permet le suivi de toutes les découvertes avec différents outils, y compris des outils qui peuvent distinguer le matériel extraterrestre intrinsèque de la contamination terrestre, et ceux qui doivent encore être développés ; en revanche, un vaisseau spatial ne peut transporter qu'un ensemble limité d'outils d'analyse, et ceux-ci doivent être choisis et construits bien avant le lancement.

Les échantillons analysés sur Terre peuvent être comparés aux résultats de la télédétection pour mieux comprendre les processus qui ont formé le système solaire . Cela a été fait, par exemple, avec les découvertes du vaisseau spatial Dawn , qui a visité l'astéroïde Vesta de 2011 à 2012 pour l'imagerie, et des échantillons de météorites HED (collectés sur Terre jusque-là), qui ont été comparés aux données recueillies par Dawn. Ces météorites pourraient alors être identifiées comme des matériaux éjectés du grand cratère d'impact Rheasilvia sur Vesta. Cela a permis de déduire la composition de la croûte, du manteau et du noyau de Vesta. De même, certaines différences dans la composition des astéroïdes (et, dans une moindre mesure, différentes compositions des comètes ) peuvent être discernées par l'imagerie seule. Cependant, pour un inventaire plus précis du matériel sur ces différents corps, davantage d'échantillons seront collectés et restitués à l'avenir, pour faire correspondre leurs compositions avec les données recueillies grâce aux télescopes et à la spectroscopie astronomique .

Outre la composition de base et l'histoire géologique des divers corps du système solaire, un autre objectif de cette enquête est la présence des éléments constitutifs de la vie sur les comètes, les astéroïdes, Mars ou les lunes des géantes gazeuses . Plusieurs missions de retour d'échantillons vers des astéroïdes et des comètes sont actuellement en préparation. D'autres échantillons d'astéroïdes et de comètes aideront à déterminer si la vie s'est formée dans l'espace et a été transportée sur Terre par des météorites. Une autre question à l'étude est de savoir si la vie extraterrestre s'est formée sur d'autres corps du système solaire comme Mars ou sur les lunes des géantes gazeuses , et si la vie pourrait même y exister. Le résultat de la dernière « enquête décennale » de la NASA a été de donner la priorité à une mission de retour d'échantillons sur Mars, car Mars a une importance particulière : elle est relativement « à proximité », pourrait avoir abrité la vie dans le passé et pourrait même continuer à maintenir la vie. La lune de Jupiter, Europe, est un autre objectif important dans la recherche de la vie dans le système solaire. Cependant, en raison de la distance et d'autres contraintes, Europa pourrait ne pas être la cible d'une mission de retour d'échantillons dans un avenir prévisible.

Protection planétaire

La protection planétaire vise à empêcher la contamination biologique à la fois de l' astre cible et de la Terre dans le cas des missions de retour d'échantillons. Un retour d'échantillon de Mars ou d'un autre endroit susceptible d'héberger la vie est une mission de catégorie V dans le cadre du COSPAR , qui vise à confiner tout échantillon non stérilisé renvoyé sur Terre. En effet, on ne sait pas quels seraient les effets d'une telle vie hypothétique sur les humains ou la biosphère de la Terre. Pour cette raison, Carl Sagan et Joshua Lederberg ont soutenu dans les années 1970 que nous devions effectuer des missions de retour d'échantillons classées dans la catégorie V avec une extrême prudence, et des études ultérieures du NRC et de l'ESF ont convenu.

Missions de retour d'échantillons

Premières missions

Apollo 11 a été la première mission à renvoyer des échantillons extraterrestres.
Roche lunaire du panneau d'interprétation d' Apollo 15 .
Roche lunaire d'Apollo 15 au centre d'accueil Ames de la NASA .

Le programme Apollo a renvoyé plus de 382 kg (842 lb) de roches lunaires et de régolithe (y compris le « sol » lunaire ) au Lunar Receptive Laboratory à Houston . Aujourd'hui, 75 % des échantillons sont stockés dans le laboratoire d'échantillonnage lunaire construit en 1979. En juillet 1969, Apollo 11 a réussi le premier retour d'échantillon d'un autre corps du système solaire. Il a renvoyé environ 22 kilogrammes (49 lb) de matériau de surface lunaire. Cela a été suivi par 34 kilogrammes (75 lb) de matériel et Surveyor 3 pièces d' Apollo 12 , 42,8 kilogrammes (94 lb) de matériel d' Apollo 14 , 76,7 kilogrammes (169 lb) de matériel d' Apollo 15 , 94,3 kilogrammes (208 lb) de matériel d' Apollo 16 et 110,4 kilogrammes (243 lb) de matériel d' Apollo 17 .

L'une des avancées les plus importantes dans les missions de retour d'échantillons s'est produite en 1970 lorsque la mission soviétique robotique connue sous le nom de Luna 16 a réussi à renvoyer 101 grammes (3,6 oz) de sol lunaire. De même, Luna 20 a renvoyé 55 grammes (1,9 oz) en 1974 et Luna 24 a renvoyé 170 grammes (6,0 oz) en 1976. Bien qu'ils aient récupéré beaucoup moins que les missions Apollo, ils l'ont fait de manière entièrement automatique. En dehors de ces trois succès, d'autres tentatives dans le cadre du programme Luna ont échoué. Les deux premières missions étaient destinées à devancer Apollo 11 et ont été entreprises peu de temps avant eux en juin et juillet 1969 : Luna E-8-5 n°402 a échoué au départ, et Luna 15 s'est écrasé sur la Lune. Plus tard, d'autres missions de retour d'échantillons ont échoué : Kosmos 300 et Kosmos 305 en 1969, Luna E-8-5 n° 405 en 1970, Luna E-8-5M n° 412 en 1975 ont eu des lancements infructueux, et Luna 18 en 1971 et Luna 23 en 1974 a eu des atterrissages infructueux sur la Lune.

En 1970, l'Union soviétique prévoyait une première mission martienne de retour d'échantillons en 1975 dans le cadre du projet Mars 5NM . Cette mission était prévue pour utiliser une fusée N1 , mais comme cette fusée n'a jamais volé avec succès, la mission a évolué vers le projet Mars 5M , qui utiliserait un double lancement avec la plus petite fusée Proton et un assemblage dans une station spatiale Saliout . Cette mission Mars 5M était prévue pour 1979, mais a été annulée en 1977 en raison de problèmes techniques et de complexité ; tout le matériel a été ordonné détruit.

années 90

L'expérience Orbital Debris Collection (ODC) déployée sur la station spatiale Mir pendant 18 mois en 1996-97 a utilisé de l' aérogel pour capturer des particules en orbite terrestre basse, y compris des poussières interplanétaires et des particules artificielles.

années 2000

Vue d'artiste de Genesis recueillant le vent solaire .

La mission suivante pour renvoyer des échantillons extraterrestres était la mission Genesis , qui a renvoyé des échantillons de vent solaire sur Terre depuis l'orbite terrestre en 2004. Malheureusement, la capsule Genesis n'a pas réussi à ouvrir son parachute en rentrant dans l'atmosphère terrestre et s'est écrasée dans l'Utah. désert. On craignait une contamination grave ou même une perte totale de la mission, mais les scientifiques ont réussi à sauver de nombreux échantillons. Ils ont été les premiers à être collectés au-delà de l'orbite lunaire. Genesis utilise une batterie de capteurs en tranches d'ultra-pure de silicium , or , saphir et de diamant . Chaque plaquette différente a été utilisée pour collecter une partie différente du vent solaire .

Capsule de retour d'échantillon de la mission Stardust

Genesis a été suivi par le vaisseau spatial Stardust de la NASA , qui a renvoyé des échantillons de comètes sur Terre le 15 janvier 2006. Il est passé en toute sécurité par Comet Wild 2 et a collecté des échantillons de poussière du coma de la comète tout en imageant le noyau de la comète. Stardust a utilisé un réseau collecteur constitué d'aérogel à faible densité (dont 99 % d'espace), qui a environ 1/1000 de la densité du verre. Cela permet la collecte de particules cométaires sans les endommager en raison des vitesses d'impact élevées. Des collisions de particules avec des collecteurs solides même légèrement poreux entraîneraient la destruction de ces particules et endommageraient l'appareil de collecte. Au cours de la croisière, le réseau a collecté au moins sept particules de poussière interstellaire.

années 2010 et 2020

En juin 2010, la sonde Hayabusa de l' Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA) a renvoyé des échantillons d'astéroïdes sur Terre après un rendez-vous avec (et un atterrissage sur) l' astéroïde de type S 25143 Itokawa . En novembre 2010, les scientifiques de l'agence ont confirmé que, malgré la défaillance du dispositif d'échantillonnage, la sonde avait récupéré des microgrammes de poussière de l'astéroïde, le premier ramené sur Terre en parfait état.

Le Fobos-Grunt russe était une mission ratée de retour d'échantillons conçue pour renvoyer des échantillons de Phobos , l'une des lunes de Mars. Il a été lancé le 8 novembre 2011, mais n'a pas réussi à quitter l'orbite terrestre et s'est écrasé après plusieurs semaines dans le sud de l'océan Pacifique.

OSIRIS-REx prélevant un échantillon de l'astéroïde 101955 Bennu
( Image en taille réelle )

L' Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA) a lancé la sonde spatiale améliorée Hayabusa2 le 3 décembre 2014. Hayabusa2 est arrivée sur la cible proche de la Terre, l' astéroïde de type C 162173 Ryugu (précédemment désigné 1999 JU 3 ) le 27 juin 2018. Elle a étudié l'astéroïde. pendant un an et demi et a prélevé des échantillons. Il a quitté l'astéroïde en novembre 2019 et est revenu sur Terre le 6 décembre 2020.

La mission OSIRIS-REx a été lancée en septembre 2016 sur une mission de retour d'échantillons de l'astéroïde 101955 Bennu . Les échantillons devraient permettre aux scientifiques d'en savoir plus sur la période précédant la naissance du système solaire, les étapes initiales de la formation de la planète et la source des composés organiques qui ont conduit à la formation de la vie. Il a atteint la proximité de Bennu le 3 décembre 2018, où il a commencé à analyser sa surface pour une zone d'échantillonnage cible au cours des prochains mois. Il a collecté son échantillon le 20 octobre 2020 et devrait revenir sur Terre le 24 septembre 2023.

Échantillon de sol lunaire collecté par la mission chinoise Chang'e 5 présenté à l'Airshow China 2021.
Échantillon de sol lunaire collecté par la mission chinoise Chang'e 5 présenté à l' Airshow China 2021.

La Chine a lancé la mission de retour d'échantillons lunaires Chang'e 5 le 23 novembre 2020, qui est revenue sur Terre avec 2 kilogrammes de sol lunaire le 16 décembre 2020. Il s'agissait du premier retour d'échantillons lunaires depuis plus de 40 ans.

Missions futures

Véhicule d'ascension dans son carénage de protection, conception 2009 ESA-NASA.

La Russie prévoit que les missions Luna-Glob renverront des échantillons de la Lune d' ici 2027 et Mars-Grunt pour renvoyer des échantillons de Mars à la fin des années 2020.

La JAXA développe la mission MMX , une mission de retour d'échantillons vers Phobos qui sera lancée en 2024. MMX étudiera les deux lunes de Mars , mais l'atterrissage et la collecte d'échantillons se feront sur Phobos. Cette sélection a été faite en raison des deux lunes, l'orbite de Phobos est plus proche de Mars et sa surface peut avoir des particules soufflées de Mars. Ainsi, l'échantillon peut contenir du matériel provenant de Mars lui-même. Un module de propulsion transportant l'échantillon devrait revenir sur Terre vers septembre 2029.

La Chine lancera la mission de retour d'échantillons lunaires Chang'e 6 en 2023.

La Chine a des plans pour une mission de retour d'échantillons sur Mars d'ici 2030. De plus, l' Agence spatiale chinoise conçoit une mission de récupération d'échantillons de Cérès qui aurait lieu dans les années 2020.

La NASA a depuis longtemps prévu une mission de retour d'échantillons sur Mars , mais n'a pas encore obtenu le budget pour concevoir, construire, lancer et atterrir avec succès une telle sonde. La mission est restée sur la feuille de route de la NASA pour la science planétaire à partir de 2013 Planetary Science Decadal Survey . Le rover Perseverance , lancé en 2020, collectera des échantillons de carottes de forage et les stockera à la surface de Mars d'ici 2023. Une mission conjointe NASA- ESA pour les restituer est prévue pour la fin des années vingt, consistant en un atterrisseur pour récupérer les échantillons et les soulever. en orbite et un orbiteur pour les ramener sur Terre.

Les missions de retour d'échantillons de comètes restent une priorité de la NASA. Comet Surface Sample Return était l'un des six thèmes de propositions pour la quatrième mission New Frontiers de la NASA en 2017.

Méthodes de retour des échantillons

Animation du mouvement du bras TAGSAM

Les méthodes de retour d'échantillons incluent, sans s'y limiter :

Un réseau de collecteurs Genesis constitué d'une grille de plaquettes ultra-pures de silicium, d'or, de saphir et de diamant

Tableau collecteur

Un réseau de collecteurs peut être utilisé pour collecter des millions ou des milliards d'atomes, de molécules et de fines particules en utilisant des plaquettes constituées de différents éléments. La structure moléculaire de ces plaquettes permet la collecte de particules de différentes tailles. Les matrices de collecteurs, telles que celles embarquées sur Genesis , sont ultra-pures afin d'assurer une efficacité de collecte, une durabilité et une distinction analytique maximales.

Les réseaux de collecteurs sont utiles pour collecter de minuscules atomes se déplaçant rapidement tels que ceux expulsés par le Soleil à travers le vent solaire, mais peuvent également être utilisés pour la collecte de particules plus grosses telles que celles trouvées dans la coma d'une comète. Le vaisseau spatial de la NASA connu sous le nom de Stardust a mis en œuvre cette technique. Cependant, en raison de la vitesse et de la taille élevées des particules qui composent la coma et de la zone à proximité, un réseau collecteur dense à l'état solide n'était pas viable. En conséquence, un autre moyen de collecte d'échantillons a dû être conçu pour préserver la sécurité de l'engin spatial et des échantillons eux-mêmes.

Aérogel

Une particule capturée dans l'aérogel

L'aérogel est un solide poreux à base de silice avec une structure spongieuse, dont 99,8% du volume est un espace vide. L'aérogel a environ 1/1000 de la densité du verre. Un aérogel a été utilisé dans le vaisseau spatial Stardust car les particules de poussière que le vaisseau spatial devait collecter auraient une vitesse d'impact d'environ 6 km/s. Une collision avec un solide dense à cette vitesse pourrait modifier leur composition chimique ou peut-être les vaporiser complètement.

Étant donné que l'aérogel est principalement transparent et que les particules laissent un chemin en forme de carotte une fois qu'elles pénètrent la surface, les scientifiques peuvent facilement les trouver et les récupérer. Comme ses pores sont à l' échelle nanométrique , les particules, même plus petites qu'un grain de sable, ne font pas que traverser complètement l'aérogel. Au lieu de cela, ils ralentissent jusqu'à s'arrêter, puis s'y incrustent. Le vaisseau spatial Stardust a un collecteur en forme de raquette de tennis avec un aérogel. Le collecteur est rétracté dans sa capsule pour un stockage sûr et un retour sur Terre. L'aérogel est assez fort et survit facilement aux environnements de lancement et d' espace extra-atmosphérique .

Excavation et retour robotisés

Certains des types de missions de retour d'échantillons les plus risqués et les plus difficiles sont ceux qui nécessitent un atterrissage sur un corps extraterrestre tel qu'un astéroïde, une lune ou une planète. Il faut beaucoup de temps, d'argent et de capacités techniques pour même initier de tels plans. C'est un exploit difficile qui nécessite que tout, du lancement à l'atterrissage en passant par la récupération et le retour sur Terre, soit planifié avec une grande précision et exactitude.

Ce type de retour d'échantillon, bien qu'ayant le plus de risques, est le plus gratifiant pour la science planétaire. En outre, de telles missions présentent un grand potentiel de sensibilisation du public, ce qui est un attribut important pour l'exploration spatiale lorsqu'il s'agit de soutien public. Les seules missions robotiques de retour d'échantillons réussies de ce type ont été les atterrisseurs soviétiques Luna et le chinois Chang'e 5 .

Liste des missions

Missions avec équipage

Date de lancement Opérateur Nom Origine de l'échantillon Échantillons retournés Date de récupération Résultat de la mission
16 juillet 1969  États Unis Apollo 11 Lune 22 kilogrammes (49 lb) 24 juillet 1969 À succès
14 novembre 1969 États Unis États Unis Apollo 12 Lune 34 kilogrammes (75 lb) et Surveyor 3 pièces 24 novembre 1969 À succès
11 avril 1970 États Unis États Unis Apollo 13 Lune - 17 avril 1970 Échoué
31 janvier 1971 États Unis États Unis Apollon 14 Lune 43 kilogrammes (95 lb) 9 février 1971 À succès
26 juillet 1971 États Unis États Unis Apollo 15 Lune 77 kilogrammes (170 lb) 7 août 1971 À succès
16 avril 1972 États Unis États Unis Apollon 16 Lune 95 kilogrammes (209 lb) 27 avril 1972 À succès
7 décembre 1972 États Unis États Unis Apollo 17 Lune 111 kilogrammes (245 livres) 19 décembre 1972 À succès
22 mars 1996 Russie Russie Collection de débris terrestres-orbitaux Orbite terrestre basse Particules 6 octobre 1997 À succès
14 avril 2015 Japon Japon Mission Tanpopo Orbite terrestre basse Particules Février 2018 À succès

Missions robotiques

Date de lancement Opérateur Nom Origine de l'échantillon Échantillons retournés Date de récupération Résultat de la mission
14 juin 1969  Union soviétique Luna E-8-5 n° 402 Lune
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Échec
13 juillet 1969 Union soviétique Union soviétique Lune 15 Lune
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Échec
23 septembre 1969 Union soviétique Union soviétique Cosmos 300 Lune
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Échec
22 octobre 1969 Union soviétique Union soviétique Cosmos 305 Lune
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Échec
6 février 1970 Union soviétique Union soviétique Luna E-8-5 n° 405 Lune
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Échec
12 septembre 1970 Union soviétique Union soviétique Lune 16 Lune 101 grammes (3,6 onces) 24 septembre 1970 Succès
2 septembre 1971 Union soviétique Union soviétique Lune 18 Lune
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Échec
14 février 1972 Union soviétique Union soviétique Lune 20 Lune 55 grammes (1,9 oz) 25 février 1972 Succès
2 novembre 1974 Union soviétique Union soviétique Lune 23 Lune
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Échec
16 octobre 1975 Union soviétique Union soviétique Luna E-8-5M n° 412 Lune
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Échec
9 août 1976 Union soviétique Union soviétique Lune 24 Lune 170 grammes (6,0 onces) 22 août 1976 Succès
7 février 1999 États Unis États Unis poussière d'étoiles 81P/Sauvage Particules , pesant environ 1 gramme (0,035 oz) 15 janvier 2006 Succès
8 août 2001 États Unis États Unis Genèse Vent solaire Particules 9 septembre 2004 Succès (partiel)
9 mai 2003  Japon Hayabusa 25143 Itokawa Particules , pesant moins de 1 gramme (0,035 oz) 13 juin 2010 Succès (partiel)
8 novembre 2011  Russie Fobos-Grunt Phobos
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Échec
3 décembre 2014 Japon Japon Hayabusa2 162173 Ryugu 5,4 grammes (0,19 oz) (y compris les échantillons de gaz) 6 décembre 2020 Succès
8 septembre 2016 États Unis États Unis OSIRIS-REx 101955 Bennu
En transit vers la Terre
24 septembre 2023 En cours
23 novembre 2020  Chine Chang'e 5 Lune 1 731 grammes (61,1 oz) 16 décembre 2020 Succès
2024 Chine Chine Chang'e 6 Lune
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2024 Prévu
2024 Japon Japon MMX Phobos
-
2029 Prévu
2026 États UnisÉtats-Unis / Union européenne
Union européenne
anonyme Mars
-
2031 En cours

Voir également

Remarques

Les références

Liens externes