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Sondes spatiales : évolution et avenir de l’astronautique

L’industrie aérospatiale est l’un des acteurs phares de l’exploration des limites du savoir humain et son évolution peut conduire aux plus grandes découvertes de l’humanité. Dans l’immensité de l’univers, des explorateurs robotiques, plus communément appelés sondes spatiales, explorent notre environnement.

L’industrie aérospatiale continuera de progresser pour nous abreuver de nouvelles possibilités, technologies et connaissances.

En faisant appel à la technologie la plus avancée du moment, ces dispositifs artificiels sont conçus pour supporter des rayonnements, des pressions et des vitesses extrêmes, dans des milieux aux conditions défavorables. Leur fabrication, leur lancement dans l’espace, leur utilisation et leur maintenance requièrent d’importants investissements financiers. Les sondes spatiales nous permettent de prélever des échantillons, de mesurer, de photographier et d’analyser la poussière et les gaz d’autres lieux de l’univers.

Pour l’humanité, les sondes spatiales sont des outils très utiles et aux fonctions extrêmement variées. À titre d’exemple, le télescope spatial Hubble, baptisé ainsi en l’honneur d’Edwin Hubble, le célèbre astronome considéré comme le père de la cosmologie observationnelle, flotte confortablement en orbite terrestre, tandis que la sonde Deep Impact I a été envoyée en 2005 pour effectuer une mission suicide contre la comète Tempel 1 et en étudier la composition interne. D’autres sondes sont envoyées loin de la Terre, vers des planètes comme Mars, Jupiter et Saturne, ou en direction de leurs satellites naturels, dans l’objectif de capter des images et de les analyser depuis l’orbite même de ces astres. Certaines sondes vont jusqu’à se poser à la surface de ces corps célestes pour y prélever des échantillons en vue d’étudier leur composition et leurs processus géologiques, pour ensuite analyser les similitudes ou différences avec notre planète.

Le secteur aérospatial, et plus concrètement celui de l’astronautique, est responsable de l’exécution de programmes lancés par des agences spatiales comme la NASA (agence américaine) ou l’INTA (institut espagnol).

En décembre 2009, une fusée Delta II a mis en orbite terrestre un engin spatial appelé WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer ou, en français, explorateur à grand champ pour l’étude dans l’infrarouge). Équipée d’un télescope de 4 millions de pixels, cette sonde observe le ciel sur 4 longueurs d’onde dans l’infrarouge pour créer la photographie infrarouge la plus détaillée de l’univers réalisée jusqu’à ce jour.

Tout au long de l’histoire de l’humanité, aucune preuve solide ne permettait de démontrer l’existence d’eau liquide dans l’univers, hormis sur la Terre, jusqu’à ce qu’en 1997, une sonde spatiale très perfectionnée ne parvienne à atteindre la planète Saturne. La sonde Cassini a parcouru près de 645 millions de kilomètres en 4 ans pour démarrer une mission d’exploration ayant pour objectif de percer les secrets de Saturne. Outre l’étude de la planète et de tous ses satellites naturels, cette sonde s’est également affairée à observer minutieusement ses anneaux. Ces opérations ont entre autres conduit à la découverte d’Encelade (dans l’anneau E), l’une des lunes de Saturne, sur laquelle des geysers d’eau liquide ont été observés. Cette eau gèle dès qu’elle est expulsée dans l’espace glacial, créant ainsi des particules de glace qui forment le propre anneau de Saturne.

Mais les découvertes de Cassini ne se sont pas arrêtées en si bon chemin. La sonde a dû faire appel à ses équipements les plus sophistiqués et les plus sensibles pour étudier Titan, un autre satellite naturel de Saturne, plus grand que Mercure. Titan possède une atmosphère particulièrement dense, observée par la sonde spatiale Voyager en 1980 lors de sa mission d’étude des planètes externes au système solaire. La lune Titan a été photographiée et il on a pu constater que la densité de l’atmosphère de cet astre était due à la présence d’hydrocarbures comme le méthane ou l’éthane ; ces composés génèrent un brouillard photochimique dense qui empêche toute observation visuelle à travers cette atmosphère. Vingt-cinq ans plus tard, Cassini a lancé sa sonde Huygens qui a pu pénétrer dans l’atmosphère de Titan et se poser à sa surface. D’immenses lacs d’hydrocarbures alimentés par des tempêtes de méthane liquide y ont été découverts, ces derniers pouvant héberger des formes de vie simples, similaires aux organismes unicellulaires qui vivent dans les profondeurs des océans de la planète Terre.

Sur la Terre, la grande majorité du méthane se présente sous forme de gaz. Connu sous le nom de gaz naturel, ce composé chimique est issu des organismes en décomposition.

L’industrie aérospatiale a progressé à pas de géant en matière de sondes spatiales. En 1960, le programme Ranger envoyait les premières sondes américaines pour photographier la Lune et en analyser la surface en vue du développement des programmes Surveyor et Apollo. À peine 2 ans plus tard, la sonde américaine Mariner II survolait Vénus. La première sonde à fouler la surface de cette planète n’a cependant pas été américaine, mais soviétique : en 1970, le programme Venera a en effet réussi à y déposer une sonde, ce qui nous a permis de constater que notre planète voisine ne ressemblait pas à la Terre, puisque son atmosphère est particulièrement chaude (avec une surface avoisinant les 460 °C) et que les conditions y sont trop extrêmes pour qu’aucune forme de vie ne puisse y évoluer.

Mais des conditions encore plus défavorables sont observées sur les planètes situées en dehors du système solaire : les exoplanètes. Pour atteindre ces astres, une fusée de grandes dimensions ne suffit pas. Le principal problème des sondes réside dans le carburant nécessaire pour atteindre leur destination. L’utilisation d’une fusée engendre la combustion d’une grande quantité de carburant et, en cas d’épuisement, la sonde est rendue inutilisable. Mais il existe une solution inhérente à la structure du cosmos : la gravité. Au début des années 1960, nous avons découvert que la gravité des planètes pouvait être utilisée pour favoriser la propulsion des engins spatiaux et les projeter de plus en plus loin dans le système solaire. Baptisée « assistance gravitationnelle », cette technique fonctionne comme un moteur virtuel qui exploite la gravité extrêmement élevée des corps célestes pour propulser un engin spatial lorsque sa trajectoire a été prévue pour en tirer profit. La sonde Cassini, par exemple, a fait appel à ces élans gravitationnels pour atteindre les lunes de Saturne.

L’exploration spatiale du XXIe siècle est prête à envoyer des sondes au-delà des planètes situées en dehors du système solaire, vers des étoiles lointaines, mais l’assistance gravitationnelle ne nous permettra pas d’y arriver. Voyager dans l’espace lointain passe nécessairement par une autre méthode de propulsion, relevant davantage de la science-fiction : le propulseur ionique.

Un moteur ionique n’est autre qu’un « mini-accélérateur linéaire ».

Le moteur ionique remplace le carburant chimique par un gaz inerte comme le xénon. Ce gaz reçoit une charge électrique pour être ionisé et ainsi provoquer la formation d’un champ électrique qui accélère les ions dans une direction précise et entraîne la propulsion. Ces moteurs produisent de très faibles poussées, mais ils sont capables de fonctionner pendant plusieurs mois sans interruption, parvenant ainsi à faire avancer l’engin spatial de plus en plus vite. Cette technique a déjà été utilisée sur la sonde Deep Space I à la fin des années 1990 et, plus récemment, les moteurs ioniques ont propulsé la sonde Hayabusa de l’Agence d’exploration aérospatiale japonaise pour l’aider à se poser sur un astéroïde. On pourrait donc avancer que les moteurs ioniques ont révolutionné l’exploration de l’espace.

Mais ce n’est encore que le début, puisque le propulseur VASIMR (acronyme de Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket ou, en français, propulsion magnéto-plasmique à impulsion spécifique variable) est en cours de développement. Ce moteur ionique évolué est équipé d’une source d’ondes radio et dispose d’une seconde phase. Il fonctionne par l’application d’énergie électromagnétique au plasma, ce qui permet d’obtenir un champ magnétique extrêmement puissant qui projette le plasma à des vitesses très élevées. Selon les estimations, cette technologie permettrait d’envoyer une sonde beaucoup plus loin que notre système solaire, ouvrant ainsi les portes de l’espace lointain à l’exploration.

Pour le moment, il est possible d’observer des exoplanètes, tout particulièrement celles d’une taille similaire à celle de la Terre, qui se trouvent dans la zone habitable de leur étoile. Tel est l’un des objectifs de la sonde Kepler, équipée d’un télescope dont la caméra, d’une résolution de 95 millions de pixels, permet l’observation de planètes en transit (cette technique de recherche d’exoplanètes consiste à mesurer la variation de la luminosité d’une étoile pour savoir si une planète s’y trouve en orbite et passe devant elle, atténuant ainsi sa luminosité).

Il semble que nous disposerons prochainement de la technologie nécessaire pour analyser la composition chimique d’exoplanètes, de savoir si elles possèdent ou non des atmosphères, des continents et des océans, si de l’eau est présente à leur surface, etc. Ces observations seront rendues possibles grâce au télescope spatial James Webb, d’une capacité optique 4 fois supérieure à celle d’Hubble. Ce télescope permettra aux scientifiques d’observer de petites molécules dans l’atmosphère d’une planète similaire à la nôtre et située à des milliers d’années-lumière de la Terre.

L’exploration spatiale n’en est encore qu’à ses balbutiements. Tout au long de ce siècle, les études portent à croire que l’humanité sera le témoin de découvertes grandioses et surprenantes. L’industrie aérospatiale continuera de progresser pour nous abreuver de nouvelles possibilités, technologies et connaissances. Et l’astronautique tiendra un rôle majeur, puisque ses projets expérimentaux de grande envergure, inimaginables il y a quelques années, ne cesseront de nous étonner.

 

 

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23/01/2018

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