Alors même que le rover Persévérance s'approche de Mars, la technologie à bord porte ses fruits sur Terre.

Un capteur de lumière laser qui peut identifier les bactéries dans une plaie peut sembler tiré par les cheveux, mais c'est déjà en train de devenir une réalité, grâce en partie au programme d'exploration de Mars de la NASA. La technologie va sur Mars pour la première fois sur Persévérance, qui atterrira sur la planète rouge ce mois-ci, mais il détecte déjà des traces de contaminants dans la fabrication pharmaceutique, traitement des eaux usées, et d'autres opérations importantes sur Terre.

Ce n'est pas la seule technologie dirigée vers Mars qui rapporte déjà des dividendes sur le terrain. Ici sur Terre, ces innovations améliorent également la fabrication des circuits imprimés et ont même conduit à une conception de foret spéciale pour les géologues.

Accorder une pause aux géologues

Honeybee Robotics travaille sur des missions robotiques vers Mars et d'autres corps planétaires depuis les années 1990, y compris un certain nombre de projets financés par des contrats Small Business Innovation Research (SBIR) du Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. L'une des principales contributions à venir de ce travail a été la technologie de collecte d'échantillons, y compris un trépan pour extraire des carottes de roche. Une demi-douzaine de forets développés à partir de recherches commencées il y a plus de 20 ans sont maintenant dans l'espace pour la première fois, prêt à l'emploi dans la tourelle du rover, ou "main, " au bout de son bras robotique.

Sur Terre, après avoir percé une carotte avec une mèche creuse, un géologue utilise généralement un tournevis ou un autre outil pour casser l'échantillon et le retirer. Cela peut entraîner un échantillon fragmenté ou même contaminé. Un robot avait besoin de quelque chose de différent.

Honeybee, basée à New York, a proposé un tube de rupture niché dans un foret. Après le forage de la carotte, le tube sécable tourne par rapport au trépan, déplaçant son axe central et cassant le noyau. Contrairement aux autres méthodes de rupture, comme pincer la base du noyau, le tube sécable applique une pression sur toute la longueur de l'échantillon, réduire le risque de fragmentation.

Honeybee a fourni des broyeurs, boules, et d'autres systèmes d'échantillonnage qui ont volé lors de missions précédentes sur Mars. C'est la première fois que la technologie de carottage de l'entreprise va sur Mars, car c'est la première fois que la NASA planifie une future mission pour ramener des échantillons de la surface martienne sur Terre. Perseverance collectera et conditionnera ces échantillons.

"C'est l'élément clé de la mission de retour d'échantillon, " a déclaré Keith Rosette, qui a géré le système d'échantillonnage et de mise en cache du rover pour JPL. "Vous ne pouvez vraiment pas prélever un échantillon sur Mars si vous n'avez pas de foret qui peut le récupérer."

Bien que récupérer un échantillon de véhicule de retour de Mars posera de nombreux défis, il permettra aux chercheurs de faire des tests pratiquement illimités avec un large éventail d'instruments, dit Rosette. "Plutôt que d'essayer d'amener tous ces instruments sur Mars, c'est moins difficile et encore plus précieux de rapporter des échantillons."

Pendant ce temps, Honeybee a commercialisé ses mèches de rupture brevetées dans des kits d'outils de carottage pour les géologues de la Terre. Les mèches peuvent être utilisées avec une perceuse standard, rendre la technologie simple et abordable, dit Kris Zacny, Honeybee vice-président et directeur de la technologie d'exploration.

Honeybee a également été en pourparlers avec des entreprises intéressées à utiliser les bits pour l'assainissement des catastrophes nucléaires où il est trop dangereux d'envoyer des enquêteurs humains, dit Zacny. "S'il y a des réservoirs en béton qui fuient, par exemple, alors les robots peuvent entrer et prélever des échantillons pour vérifier les niveaux de rayonnement."

La technologie a été inventée par le regretté ingénieur en chef de Honeybee, Tom Myrick. "Tom aurait été extrêmement fier que son invention ait fait une différence dans les missions planétaires, " dit Zacny.

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La collecte d'échantillons pour le retour sur Terre n'est pas la seule première que les ingénieurs ont prévue pour Persévérance. Pour la première fois, La NASA a construit un système qui pourrait renvoyer une vidéo de haute qualité de la séquence dramatique d'entrée et d'atterrissage d'un rover.

Alors que le rover Curiosity renvoyait une série d'images compressées montrant la surface martienne pendant la descente, L'entrée de la persévérance, descente, et le forfait d'atterrissage comprend six caméras haute définition et un microphone qui vise à capturer tout le drame des "sept minutes de terreur" entre le fait de frapper l'atmosphère extérieure et l'atterrissage. En plus d'observer la surface de la planète, les caméras sont positionnées pour regarder les parachutes se dérouler et aussi pour regarder en arrière l'étage de descente et le rover alors que les deux se séparent.

Les composants de la caméra sont des modèles standard, mais le circuit imprimé qui gère leur interface et leur alimentation a été conçu par JPL. Il a ensuite été construit par Tempo Automation, basé à San Francisco. Fondée en 2013, juste après que la NASA a annoncé la mission Mars 2020, Tempo a utilisé le travail pour améliorer ses processus de fabrication.

Comme son nom l'indique, La concentration de Tempo Automation est rapide, production automatisée de circuits imprimés, même en petites quantités. Un ensemble d'outils que l'entreprise propose à cette fin est le processus permettant de rendre chaque composant "traçable, " pour garder une trace de qui l'a touché et ce qui lui a été fait à chaque étape du processus de production de la planche, ainsi que le lot de composants d'où provient la pièce. Ces informations permettent de localiser plus facilement la cause d'un problème et de voir quelles autres cartes ont pu être affectées, a déclaré le cofondateur de Tempo, Shashank Samala.

Pour répondre aux exigences strictes de documentation de JPL, Tempo a ajouté des images radiographiques, données de propreté ionique, et les données d'une inspection optique automatisée pour chaque composant, tout cela fait maintenant partie de la procédure standard de l'entreprise.

Un outil unique à Tempo est ce qu'il appelle la simulation de fabrication, un logiciel qui traduit un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) en une représentation photoréaliste de ce à quoi ressemblera la carte finale. Une équipe était en train de prototyper l'outil lorsque les travaux du JPL ont commencé début 2018, et ce travail les a aidés à le terminer, dit Samala. Il a fait ses débuts l'année suivante.

La simulation permet aux clients de vérifier leurs conceptions pour tout problème ou défaut avant le début de la production, il a dit. "Une simple erreur peut coûter beaucoup d'argent et de temps."

Bien qu'il ait été conçu pour aider les clients à finaliser leurs conceptions, l'entreprise a découvert qu'il était également utile en interne. Le processus de fabrication peut entraîner des écarts entre le modèle CAO d'origine et le produit final, Samala a expliqué. La simulation « sert de source de vérité dans l'usine, pour communiquer l'intention du concepteur. La première chose que nous regardons est la simulation."

Il a déclaré que la livraison d'un produit conforme aux normes de la NASA avait aidé l'entreprise à entrer dans plusieurs autres systèmes spatiaux, y compris les satellites et les fusées.

Pendant ce temps, Chris Basset, qui a conçu le circuit imprimé au JPL, attend avec impatience le moment où les images de la caméra seront renvoyées de Mars après l'atterrissage de Persévérance le 18 février, 2021. "C'est tellement en dehors de ce que nous faisons habituellement que c'est super excitant, " dit-il. " J'ai hâte de voir ces images. "

Les lasers ultraviolets recherchent des indices chimiques

Une autre technologie dont les racines remontent loin dans le programme d'exploration de Mars de la NASA vole également pour la première fois sur Perseverance et a de nombreuses applications potentielles ici sur Terre.

Lorsque deux collègues de longue date ont fondé Photon Systems en 1997, la recherche a montré des promesses incroyables pour les spectromètres, des appareils qui utilisent la lumière pour déterminer la composition d'un échantillon, fonctionnant dans les longueurs d'onde de l'ultraviolet profond (UV). Ceux-ci avaient le potentiel d'identifier une bactérie ou de détecter la moindre trace chimique. Mais les sources de lumière dans la plage de 220 à 250 nanomètres étaient trop grandes, lourd, et sensible aux interférences environnementales, et a eu beaucoup d'autres problèmes.

William Hug et Ray Reid ont entrepris de développer une miniature, poids léger, source laser UV profond robuste pour la spectroscopie sur le terrain. Leur premier investissement extérieur est venu en 1998 d'une paire de contrats SBIR avec JPL, qui s'intéressait à un spectromètre capable de détecter les acides nucléiques et aminés, matières organiques qui sont à la base de toute vie connue. Depuis, la Covine, La société californienne a reçu un certain nombre de SBIR de la NASA, principalement avec JPL, ainsi que le financement de programmes de la NASA visant à développer des instruments pour la science planétaire et l'astrobiologie.

Maintenant, l'agence spatiale obtiendra les premiers gros retours sur son long investissement dans la technologie :Perseverance est équipé de l'instrument Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC), qui utilise un laser Photon Systems pour repérer des indices auparavant invisibles dans sa recherche de signes de vie passée sur Mars.

Alors que l'équipe ne s'attend pas à trouver des bactéries sur Mars, les matières organiques qui existent à proximité de la surface peuvent être identifiées à l'aide de SHERLOC. Sur Terre, la même technologie peut être utilisée pour identifier les matières organiques à diverses autres fins.

Les photons UV profonds interagissent fortement avec de nombreux matériaux, en particulier ceux contenant des molécules organiques. Cela se traduit par une sensibilité de détection plus élevée et une plus grande précision par rapport aux sources laser infrarouges ou même à lumière visible.

La spectroscopie UV profond a été réalisée dans des laboratoires de recherche, mais Hug et Reid ont proposé une construction beaucoup plus petite, plus simple, et moins cher à construire que n'importe quelle alternative existante. « Les lasers à UV profond commencent à 100 $, 000. C'est pourquoi ils ne sont pas utilisés dans l'industrie, " Câlin a dit, notant que les instruments de laboratoire utilisant la technologie peuvent occuper trois tables de laboratoire et prendre un mois à mettre en place.

L'un des principaux défis a été le niveau de perfection requis par la technologie. Les mêmes sensibilités qui permettent aux minuscules, les longueurs d'onde à haute énergie pour détecter même un virus les rendent vulnérables aux moindres défauts. Une imperfection microscopique dans une lentille ou une autre surface peut les perturber ou les disperser, et Hug a déclaré qu'il avait fallu des progrès dans plusieurs secteurs pour répondre aux normes nécessaires.

Photon Systems se concentre sur deux types de spectroscopie où les sources laser à UV profond offrent des avantages majeurs par rapport à la technologie de spectromètre de longue date, et SHERLOC utilisera les deux. La spectroscopie de fluorescence observe la lumière que la plupart des matériaux organiques et de nombreux matériaux inorganiques émettent lorsqu'ils sont excités par certaines longueurs d'onde ultraviolettes, tout comme un détergent brillant sous une lumière noire. Chacun émet une "empreinte digitale" spectrale distincte.

Spectroscopie Raman, d'autre part, observe la lumière qu'une molécule diffuse, dont certains passeront à des longueurs d'onde différentes en raison de l'interaction avec les vibrations des liaisons moléculaires au sein de l'échantillon. Ces décalages de longueur d'onde peuvent être utilisés pour identifier les matériaux dans un échantillon. Les photons à énergie plus élevée de la lumière UV provoquent un signal de diffusion Raman beaucoup plus fort des molécules organiques que la lumière à basse fréquence. Et parce que la lumière UV profonde n'est pas présente dans la fluorescence naturelle ou dans la lumière du soleil, l'utilisation de ces longueurs d'onde très courtes permet d'éliminer les sources d'interférences.

Dans les années récentes, la société a commencé à développer la technologie en produits, y compris les capteurs et appareils portatifs qui surveillent l'exposition personnelle aux contaminants, ainsi que du matériel de laboratoire. Leurs plus grands marchés sont maintenant dans le secteur pharmaceutique, préparation des aliments, et les industries de traitement des eaux usées, dit Hug. Deep UV peut identifier et mesurer certains composés à des concentrations beaucoup plus faibles que toute autre méthode, offrant une précision sans précédent dans le contrôle de la qualité, qu'il s'agisse de mesurer les ingrédients actifs dans les produits pharmaceutiques ou d'assurer la propreté des machines et des installations.

Dans le traitement des eaux usées, la technologie peut identifier et mesurer les contaminants, permettant à l'opérateur d'adapter le processus de traitement et d'économiser de l'énergie pour l'infusion et l'aération d'ozone. "Pour une petite station d'épuration, l'ensemble du système s'amortit en moins d'un mois, ", dit Câlin.

Une application dans laquelle l'armée a investi consiste à identifier les bactéries et les virus. Déterminer quelles bactéries sont présentes dans une plaie, par exemple, aiderait à identifier le bon antibiotique pour le traiter, plutôt que d'utiliser des antibiotiques à large spectre qui risquent de provoquer une résistance aux médicaments.

Et rapide, la spectroscopie UV profond abordable est prometteuse pour la recherche médicale, du diagnostic à l'identification des protéines, peptides, et autre matériel biologique.

"La NASA a été un compagnon constant dans notre voyage à ce jour, et le laser n'est qu'une partie de l'histoire, " a déclaré Hug. " Ce sont également les instruments Raman UV profond et de fluorescence que nous avons construits pour la NASA et le ministère de la Défense au fil des ans qui offrent maintenant des percées pour la pharma, les eaux usées, et la qualité de l'eau en général, et maintenant des tests cliniques pour les virus."

Sur Mars, SHERLOC recherchera des matériaux organiques et analysera les minéraux entourant d'éventuels signes de vie afin que les chercheurs puissent comprendre leur contexte, dit Luther Beegle, chercheur principal pour SHERLOC au JPL. Cela fournira plus de détails sur l'histoire de Mars et aidera également à identifier des échantillons pour le retour sur Terre. L'instrument, qui comprend également une caméra capable d'imagerie microscopique, sera en mesure de cartographier la composition minérale et organique d'une roche de manière très détaillée, fournissant beaucoup de données importantes.

"Nous allons faire une toute nouvelle mesure sur Mars, " Beegle a déclaré. "C'est quelque chose qui n'a même jamais été tenté auparavant. Nous pensons que nous allons vraiment faire avancer la science martienne et trouver d'excellents échantillons à rapporter."