Un instrument ambitieux pour la mission ExoMars 2020 de l'ESA a réussi ses tests dans des conditions ressemblant à celles de la planète rouge. Il va maintenant être transporté en Russie pour son examen de réception, suivi de l'intégration sur la Kazachok Surface Platform, lancement prévu à cette époque l'année prochaine.

À environ 8 x 8 x 20 cm plus un trio d'antennes, L'expérience Lander Radioscience de l'ESA, ou LaRa en abrégé, est un peu plus gros qu'un carton de lait de 1 litre. Mais il fonctionne comme un transpondeur très performant, chargé de maintenir une liaison radiofréquence directe extrêmement stable entre la Terre et Mars pendant une année martienne complète - deux années terrestres - une fois qu'ExoMars a touché le sol.

Proposé par l'Observatoire Royal de Belgique, LaRa a été développé dans le cadre du programme PRODEX de l'ESA, axé sur le développement d'expériences scientifiques pour l'espace, et financé par le Bureau belge de la politique spatiale.

Les derniers tests de LaRa ont eu lieu dans le laboratoire des systèmes mécaniques (MSL) de l'ESA au cœur technique de l'ESTEC de l'Agence à Noordwijk, les Pays-Bas. Il s'agit d'une version à petite échelle du Centre d'Essais ESTEC adjacent, capable d'effectuer une large gamme de tests de simulation spatiale, mais au service des instruments des engins spatiaux, des sous-systèmes ou des mini-satellites plutôt que des missions grandeur nature.

Suite à des tests de vibration sur l'un des agitateurs MSL pour simuler les conditions difficiles de lancement, rentrée d'ambiance, descente et atterrissage sur Mars, LaRa a ensuite été placé dans une chambre à vide thermique pendant près de deux semaines pour effectuer des tests fonctionnels dans des conditions chaudes et froides.

Il a d'abord été placé sous vide poussé pour dégazer des fumées qui pourraient autrement poser des problèmes dans l'espace et pour tester son comportement dans des conditions similaires à celle du voyage vers Mars. LaRa a ensuite été soumis à des conditions martiennes simulées, avec 6 millibars de dioxyde de carbone ajoutés à la chambre, en même temps que la température montait et descendait.

Le boîtier électronique de LaRa sera maintenu au chaud par le chauffage de l'atterrisseur ExoMars. Les antennes de LaRa sont cependant installées en dehors de cet environnement thermiquement contrôlé et devront subir des cycles de températures extrêmes :des nuits aussi froides que -90°C, avec la journée atteignant jusqu'à 10°C relativement confortable. La nouvelle conception d'antenne qui en a résulté a été développée en coopération entre l'ESA et l'Université catholique de Louvain.

A la fin des essais, la chambre à vide thermique a été ouverte. Les ingénieurs se sont approchés de l'instrument portant des masques buccaux, blouses et gants stériles, ressemblant à une équipe chirurgicale d'un hôpital, ont ensuite procédé au retrait des capteurs et du câblage installés pour le test avant de placer l'instrument et ses antennes dans des sacs stériles.

Comme tout matériel conçu pour les missions interplanétaires, LaRa est soumis à des protocoles stricts de protection planétaire pour éviter la contamination microbienne.

"Les surfaces de l'instrument sont régulièrement écouvillonnées pour vérifier que ses niveaux de "biocharge" restent acceptables, " explique Lieven Thomassen du maître d'œuvre LaRa Antwerp Space. " Son intérieur, composé de quatre niveaux de circuits imprimés, a déjà subi un nettoyage complet. Il est presque entièrement scellé du monde extérieur, avec seulement un trou d'aération de 2 mm de diamètre pour éviter une surpression une fois que LaRa atteint l'espace."

LaRa est l'un des deux instruments de l'ESA sur la plate-forme de surface ExoMars de construction russe. Connue sous le nom de Kazachok - pour "Little Cossack" - le premier rôle de la plate-forme est de se rendre elle-même et le rover Rosalind Franklin ExoMars fabriqué par l'ESA en toute sécurité jusqu'aux basses terres d'Oxia Planum sur Mars. Ensuite, une fois que le rover quitte ses rampes, Kazachok se consacrera à la gestion d'un total de 13 packages d'expérimentation à bord. La plate-forme Surface a été développée par NPO

LaRa recevra un signal radio en bande X de la Terre qu'il retransmettra ensuite. En mesurant soigneusement de légers décalages Doppler dans ce signal bidirectionnel au fil du temps, les chercheurs seront en mesure d'identifier de minuscules changements périodiques dans la position de la plate-forme de surface au fil du temps, ouvrant une vue inestimable sur l'intérieur martien.

"LaRa révélera les détails de la structure interne de la planète, et permettre des mesures précises de sa rotation et de son orientation, " commente Véronique Dehant de l'Observatoire royal de Belgique, chercheur principal de l'instrument.

"Il détectera également les variations de moment cinétique dues à la redistribution des masses, comme le transfert de masse saisonnier de dioxyde de carbone lorsqu'une partie de l'atmosphère se transforme en glace. Enfin, LaRa permettra également de déterminer avec précision la position d'atterrissage précise."

En tant qu'analogue terrestre, imaginez un œuf qui tourne - vous pouvez dire simplement en regardant son mouvement vacillant si son intérieur est liquide ou dur.

Mais le défi est de maintenir la liaison radio directe ultra-stable pendant le programme de fonctionnement prévu de LaRa de deux sessions d'une heure par semaine, surtout lorsque Mars orbite à son maximum à 401 millions de km de la Terre.

« Du côté terrestre, nous utiliserons des antennes géantes de classe 70 m du Deep Space Network de la NASA ou l'équivalent russe à Kalyazin ou Bear Lakes, transmettre le signal radio en bande X vers Mars et récupérer sa réplique retardée relayée par LaRa et « signée Doppler » par Mars, le tout avec une puissance radio aussi faible que 5 W générée par LaRa, " explique Václav Valenta, ingénieur micro-ondes de l'ESA, gestion du projet LaRa.

"Mais LaRa sur Mars aura besoin d'une sensibilité suffisante pour détecter un signal radio aussi faible que quelques attowatts - des billions de watts. Lorsque Mars et la Terre se rapprocheront - à seulement 54,6 millions de km - les stations au sol européennes Estrack pourront fermer lien avec LaRa aussi.

"De tels scénarios ont été testés avec succès lors de deux campagnes de tests de compatibilité radiofréquence dans le centre de contrôle de mission ESOC de l'ESA à Darmstadt, Allemagne."

La rare atmosphère martienne est un facteur de complication. Du côté positif, sa présence permet à la convection d'évacuer la chaleur perdue. Mais alors qu'il est plus de cent fois plus fin que l'air terrestre, le fonctionnement en radiofréquence à l'intérieur de celui-ci laisse toujours un risque d'effets corona - l'ionisation des gaz locaux qui peut entraîner des interférences et des décharges de type foudre potentiellement nocives.

"Pour éliminer tout risque corona, LaRa a déjà été soumis à une analyse et à des tests rigoureux au laboratoire de radiofréquences haute puissance de l'ESA à Valence, Espagne, " ajoute Václav.

"Il a également subi des tests à l'intérieur de la chambre Maxwell d'ESTEC pour la compatibilité électromagnétique, pour vérifier que tous ses éléments fonctionnent correctement ensemble. De plus, un modèle de choc dédié de LaRa a été développé et testé au centre de test ESTEC pour vérifier la robustesse de LaRa contre les chocs mécaniques induits par la séparation du module porteur et le largage du bouclier thermique. »

Une fois les tests de LaRa dans le MSL terminés, l'instrument a été transféré au laboratoire de métrologie de l'ESA, pour des mesures de précision de sa planéité de surface. Il doit être précis à une échelle de quelques dizaines de micromètres - des millièmes de millimètre - pour un ajustement et un contact thermique optimaux avec son interface d'atterrisseur, aider à maintenir une bonne température opérationnelle sur Mars.

De l'ESTEC, LaRa sera transportée à l'Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences de Russie, IKI, pour les tests d'acceptation finale. Il sera ensuite déplacé à Cannes en France où il sera intégré sur la plate-forme de surface avec le reste de l'atterrisseur et testé au niveau de l'assemblage complet.

"L'opportunité de voler s'est ouverte fin 2015 et les développements réels vers le modèle de vol n'ont commencé qu'un an plus tard, l'équipe LaRa a donc dû travailler très dur pour en arriver là, " ajoute Václav. ExoMars 2020 doit être lancé par le lanceur russe Proton depuis Baïkonour au Kazakhstan en juillet 2020.