Technologie d' Empa à bord de la sonde spatiale « Rosetta »

Mission d’Empa dans l‘espace

6 mai 2014 | CORNELIA ZOGG
En mars 2014, la sonde spatiale en orbite « Rosetta » a commencé à analyser et observer, dans l’espace, le noyau et l’environnement de la comète « 67P/Churyumov-Gerasimenko ». Avec à son bord des capteurs métal-céramique très complexes d’Empa, intégrés à deux spectromètres de masse. Les systèmes ont été spécialement conçus pour la mission afin de mesurer les particules de gaz présentes dans l’environnement de la comète.
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Les comètes restent encore largement méconnues et gardent encore bien des secrets. D’après une théorie, ce sont elles qui auraient apporté de l’eau (et donc la vie) sur Terre. Les sondes spatiales ont certes déjà pu mener des recherches de manière isolée mais seulement lorsqu’elles voyagent à proximité des comètes. L’Agence spatiale européenne (ESA) a mis au point la sonde spatiale « Rosetta », en collaboration avec plusieurs institutions européennes. La sonde ne doit plus se limiter, dans un premier temps, à collecter des mesures « en passant », mais plutôt accompagner la comète, voire se poser directement dessus. Différents appareils embarqués mesurent, cartographient et analysent, pendant deux ans, la comète, les gaz et les molécules de son environnement. Même l’intérieur de « 67P/Churyumov-Gerasimenko » y passe ! Un système d’atterrissage spécifique peut – comme son nom l’indique – atterrir à la surface de la comète afin d’analyser sa constitution et son noyau.

Comment est né notre système solaire ?
Différents instituts participent au projet, dont l’Université de Berne, chargée du développement de ROSINA (« spectromètre de la sonde spatiale Rosetta pour l’analyse des ions et des particules neutres »). Ce groupe d’instruments se compose de deux spectromètres de masse et d’un capteur de pression. Les chercheurs de Berne ont de nouveau été impliqués dans Empa, responsable du développement et de la fabrication des capteurs optiques d’ions pour les deux spectromètres. Outre sa légèreté, ce système devra également résister aux conditions extrêmes qui règnent dans l’espace. ROSINA doit, après sa rencontre très spéciale avec la comète, analyser les ions et les particules neutres dans l’atmosphère (très « mince ») et dans l’ionosphère de « 67P/Churyumov-Gerasimenko ». Car cela permettra de revenir sur les conditions de création de notre système solaire. Le spectromètre de masse DFMS (« Double Focusing Mass Spectrometer ») dispose de deux modes de fonctionnement différents : un mode en phase gazeuse pour mesurer les particules neutres et un mode ionique permettant d’analyser les microparticules ionisées. Le spectromètre de masse à temps de vol RTOF (« Reflectron Time of Flight ») complète le DFMS en augmentant la sensibilité de l’ensemble de l’instrument. L’analyse des masses est effectuée avec une technique dite « Time-Of-Flight », qui permet la combinaison d’une résolution de masses très élevée et d’une résolution temporelle. Ce système est en mesure de prendre des instantanés sur l’ensemble de la gamme des masses comprises entre 1 et 1 000 amu (unité de masse des atomes unifiée).

Le développement réussi des procédés
Les modules optiques ioniques équipant les deux spectromètres de masse ont été conçus et mis au point par une équipe placée sous la responsabilité de l‘ingénieur d’Empa Hans Rudolf Elsener. L’un des gros défis était d’appliquer les attentes et les exigences de l’astrophysicien à un « produit à usage spatial » multifonctionnel capable de répondre au cahier des charges le plus strict : le système devait en effet être ultraléger, robuste mécaniquement, résistant aux tensions élevées et d’une grande précision. Outre les adaptations de conception, M. Elsener a mis au point plusieurs procédés permettant de combiner des matériaux « inhabituels » comme les métaux et céramiques. Plutôt que d’être vissées les unes aux autres, les pièces ont été soudées par traitement thermique. Pour ce faire, différents revêtements ont dû être préalablement testés. Les pièces à ajouter étaient disponibles à l’état fixe, la refusion n’intervenant que pour la matière à souder afin de réagir avec le revêtement ou le matériau de base.
Les méthodes et technologies mises au point par l’Empa ont connu un tel succès que d’autres projets spatiaux ont vu le jour. À l’heure actuelle, M. Elsener développe, avec son équipe, pour la mission lunaire « Luna » impliquant la Russie et l’Inde, un nouveau capteur optique d’ions pour un spectromètre de masse encore plus petit et léger. Les ingénieurs d’Empa ont par ailleurs fabriqué récemment des modules et capteurs hautement complexes destinés à la mission sur la planète Mercure « BepiColombo » regroupant des Européens et des Japonais.

Les appareils fonctionnent – Rosetta est prête
Même si la sonde ne rencontrera la comète qu’en août, les premières mesures ont déjà pu être réalisées. Pendant le vol vers la comète, les spectromètres de masse analysent les gaz d’échappement de Rosetta et les composants du gaz d’étalonnage. Les essais menés récemment sur les appareils ont aussi été réussis, plus rien n’arrêtera donc la rencontre avec « 67P/Churyumov-Gerasimenko ». La manœuvre en vol prévue pour le mois de mai devrait malgré tout être délicate. Si la sonde ne parvient pas à suivre l’orbite de la comète, elle dérivera trop loin pour « s’y accrocher » et la rencontrer. Mais dès que Rosetta parviendra à rejoindre son orbite, les « vraies » mesures pourront commencer afin de nous en apprendre davantage sur la comète.

 
 
 
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