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Genesis (sonde spatiale)

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Pour les articles homonymes, voirGenesis.

Genesis
Description de cette image, également commentée ci-après
Vue d'artiste de la sondeGenesis.
Données générales
OrganisationNASA
ProgrammeProgramme Discovery
DomaineÉtude du vent solaire
Type demissionMission de retour d'échantillon
StatutMission achevée
Lancement
LanceurDeltaII 7326
Fin de mission
Identifiant COSPAR2001-034A
Protection planétaireCatégorie V (sans restriction)[1]
Sitehttp://genesismission.jpl.nasa.gov/
Caractéristiques techniques
Masse au lancement494 kg
Orbite
OrbiteHéliocentrique
LocalisationPoint de Lagrange L1
Principaux instruments
1Collecteurs principaux (×5)
2Concentrateur de vent solaire
3Collecteur feuillet or
GEM et GIMSpectromètres vent solaire

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Genesis est unesonde spatiale développée par l'agence spatialeaméricaine, laNASA, dont l'objectif était derapporter sur Terre des particules duvent solaire, flux d'ions etélectrons énergétiques produit par leSoleil. La finalité de la mission était d'analyser en laboratoire les ions pour déterminer la composition du Soleil enéléments chimiques et la proportion des différentsisotopes.Genesis est la cinquième mission duprogramme Discovery qui rassemble des missions spatiales d'exploration scientifique dusystème solaire de faible coût.

Genesis est lancée le par une fuséeDeltaII puis est placée en orbite autour dupoint de Lagrange L1 pour effectuer la collecte des particules solaires durant deux ans. À la fin de cette phase,Genesis se dirige vers la Terre. À la suite d'une erreur commise durant l'assemblage de la sonde spatiale, la capsule qui rapporte les échantillons de vent solaire ne déploie pas son parachute et s'écrase le à plus de300 km/h dans la région désertique de l'Utah où elle devait être récupérée. Malgré les dégâts infligés aux collecteurs de particules et la contamination induite, une grande partie des échantillons de vent solaire s'avère exploitable après un long travail de nettoyage mettant en œuvre plusieurs techniques. L'analyse des collecteurs se poursuit toujours en 2013 mais les objectifs qui consistaient à améliorer d'unfacteur 3 à 10 notre connaissance des proportions deséléments présents dans le Soleil, sont considérés comme en voie d'être atteints par les scientifiques.

Contexte scientifique

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Photo d'un astronaute sur la Lune devant un LEM avec sur sa gauche un collecteur de vent solaire.
Durant leur séjour sur la Lune lesastronautes duprogramme Apollo ont déployé des collecteurs de vent solaire (à gauche de l'astronaute sur la photo) qui ont été rapportés sur Terre.

Parmi les objectifs scientifiques assignés à l'agence spatialeaméricaine, laNASA, figure l'étude de la formation, de l'évolution et de l'état actuel dusystème solaire. La plupart des missions d'exploration spatiales par l'agence spatiale répondant à ces objectifs s'intéressent principalement à l'état actuel des différents objets célestes — planètes, lunes, astéroïdes — composant le système solaire. La mission deGenesis est, a contrario, centrée sur l'origine du système solaire : son objet est l'étude des matériaux qui existaient dans lanébuleuse solaire à partir de laquelle lesystème solaire s'est formé et l'identification des processus à l’œuvre durant cette phase.

Le modèle de la nébuleuse solaire homogène

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Articles détaillés :Formation du système solaire etNébuleuse solaire.

La reconstitution de la composition de lanébuleuse solaire à l'origine de notresystème solaire passe par la mesure des ratiosisotopiques et la composition enéléments chimiques duSoleil. Cette méthode repose sur un consensus autour d'un modèle standard concernant l'origine des matériaux ayant formé les planètes. Selon ce modèle[2] :

  • les matériaux planétaires sont issus d'unenébuleuse solaire de composition homogène ;
  • la composition enéléments chimiques de cette nébuleuse a été préservée dans laphotosphère c'est-à-dire des couches superficielles du Soleil à l'exception des proportions dedeutérium et delithium ;
  • depuis que les planètes du système solaire se sont formées seule une partie pour mille ou moins de la matière qui les compose a subi unfractionnement isotopique, c'est-à-dire un changement dans sa compositionisotopique résultant deprocessus physico-chimiques. Aussi globalement la composition en éléments chimiques est identique dans tout le système solaire et est donc semblable aux valeurs mesurées sur la Terre.

L'analyse de la photosphère peut donc permettre de raffiner le modèle standard de formation du système solaire et également, ce qui est encore plus important, d'en vérifier la justesse[2].

Le vent solaire dépositaire de la composition de la nébuleuse solaire

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Article détaillé :Vent solaire.

Levent solaire est un flux deplasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés en permanence depuis la hauteatmosphère duSoleil au rythme d'un million de tonnes par seconde. On distingue trois régimes de vent solaire caractérisés par des compositions et des régions d'origine différentes[3],[4] :

  • le vent solaire lent relativement constant qui se déplace à la vitesse de 300 km/s et est émis depuis les régions du Soleil situées près duplan de l'écliptique ;
  • le vent solaire rapide qui provient des régions situées à des latitudes plus hautes et se déplace à une vitesse comprise entre500 et 800 km/s. Il est surtout émis lorsque l'activité solaire est importante ;
  • un régime transitoire associé auxéjections de masse coronale.

Le matériau du vent solaire qui est éjecté dans l'espace interplanétaire, provient de laphotosphère. Or la composition de celle-ci est identique à celle de lanébuleuse solaire à partir de laquelle lesystème solaire s'est formé. La collecte d'échantillons duvent solaire est donc une méthode pratique pour déterminer à la fois la composition du Soleil et celle de la nébuleuse d'origine. Toutefois les composants du vent solaire subissent un processus defractionnement lorsqu'ils sont éjectés du Soleil. Celui-ci modifie en partie la composition du vent solaire. L'ampleur des transformations dépend duFirst Ionization Time (FIT) et peut-être également de la masse et de la charge électrique. Pour déterminer la composition originale de la photosphère, il faut donc appliquer des corrections aux mesures d'abondance en éléments chimiques du vent solaire. La valeur de ces corrections a été établie à l'aide des données recueillies par les observatoires spatiaux solairesUlysses,WIND,SoHO etACE. En mesurant de manière différenciée la composition du vent solaire durant ses trois régimes,Genesis devrait permettre de vérifier la validité des corrections apportées aux mesures[4].

L'énigme du ratio des isotopes de l'azote15N/14N

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Schéma 1 : ratio des isotopes de l’azote15N/14N (en bleu) mesuré en différents endroits du système solaire (Écart par rapport au ratio actuel sur Terre). Les mesures effectuées par les sondes spatialesSoHO etGalileo présentent une incertitude indiquée par les barres inférieure et supérieure[5][source insuffisante].

La mesure du ratio des isotopes de l’azote15N/14N illustre l'apport essentiel d'une mission permettant de ramener sur Terre pour analyse des échantillons du vent solaire. Le ratio des isotopes de l’azote a été évalué avant le lancement de la missionGenesis dans plusieurs « réservoirs » d'azote répartis dans lesystème solaire en utilisant plusieurs méthodes (Schéma 1). Des différences allant de -50 % à +150 % ont été relevées par rapport au ratio mesuré sur Terre (toutefois de nombreuses incertitudes pourraient affecter la précision des résultats). Pour certaines de ces valeurs aucune explication n'est compatible avec le modèle d'une nébuleuse solaire dont la composition isotopique serait homogène[6] :

  • le ratio des isotopes sur Terre, avant que le processus d'échappement originel ne se produise, est déduit de mesures du ratio des isotopes dunéon22Ne/20Ne du vent solaire. Ces dernières données résultent d'une expérience effectuée par les équipages duprogramme Apollo sur lesol lunaire (cf.paragraphe suivant). Le ratio desisotopes de l'azote est déduit de celui du néon en partant de l'hypothèse que le taux d'échappement du néon et de l'azote sont étroitement corrélés. En partant de cette hypothèse, la valeur du ratio de l'azote à l'origine serait de -25 % inférieure au ratio actuel avec toutefois de grandes incertitudes sur la précision ;
  • les différents échantillons durégolite lunaire ramenés par les équipages du programme Apollo présentent des ratios très différents entre eux (de -20 % à +20 % par rapport au ratio terrestre moderne) qui seraient le reflet selon certaines théories d'une évolution dans le temps du ratio isotopique du vent solaire. Le ratio le plus bas correspondrait à des sols anciens tandis que les ratios élevés seraient le reflet du vent solaire actuel ;
  • le ratio dans l'atmosphère deJupiter a été mesuré par la sonde spatialeGalileo. Compte tenu des incertitudes de la mesure, il est au minimum de 30 % inférieur au taux actuel sur Terre.

Les ratios de l'ancienne Terre, des terrains anciens de la Lune et de l'atmosphère de Jupiter sont compatibles avec le modèle d'une nébuleuse à la composition homogène (autour de -30 % par rapport au ratio actuel de la Terre). Mais les mesures effectuées sur le vent solaire (reflets donc de la nébuleuse originelle) réalisées par la sonde spatialeSoHO aboutissent à un ratio proche de +20 % par rapport à celui de la Terre. Cette mesure pourrait être le résultat de l'évolution séculaire du ratio expliquant la disparité des valeurs relevées dans le régolite lunaire. Mais aucune théorie ne permet de rendre compte de cette évolution du ratio isotopique du vent solaire. SiGenesis confirme les mesures de SoHO, il faudrait donc envisager que les matériaux des planètes solaires internes et externes étaient très hétérogènes. Une très grande amplitude des ratios est également observée dans lesmétéorites (jusqu'à +150 %). Ces variations ne peuvent s'expliquer par la présence de matériaux dont l'origine serait antérieure à la formation de la nébuleuse solaire car ceux-ci ne représentent qu'une toute petite fraction de l'azote présent[7].

La méthode de collecte des particules du vent solaire

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Pour ramener des échantillons du vent solaire il faut pouvoir capturer une quantité significative de ces particules dans des conditions permettant de préserver les proportions des différents éléments qui le composent. Malgré leur vitesse élevée, les ions du vent solaire peuvent être capturés par des collecteurs avec une déperdition réduite qui peut être évaluée avec précision. L'utilisation de ce type de collecteur a déjà été testée avec succès dans le cadre des missions duprogramme Apollo. Mais le manque de pureté des collecteurs utilisés à l'époque ainsi que le temps d'exposition très court (deux jours à la surface de laLune), n'ont permis d'obtenir des résultats que pour quelqueséléments chimiques (hélium,néon ainsi que l'isotope 36 de l'argon). Avec une durée d'exposition 100 fois plus longue et des collecteurs réalisés dans des matériaux plus purs,Genesis devrait permettre d'améliorer la précision de la mesure de la composition isotopique et l'étendre à de nombreux autres éléments chimiques[8].

Objectifs de la mission

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Genesis peu avant son lancement au centre spatial Kennedy.

Les matériaux collectés parGenesis doivent permettre de déterminer avec précision lacomposition chimique et isotopique du vent solaire[9] :

  • la composition isotopique du Soleil obtenue par la mission doit permettre d'établir une référence suffisamment précise pour permettre de mener des études des processus planétaires très exigeantes dans ce domaine ;
  • la composition chimique du Soleil est connue aujourd'hui essentiellement par les raies d’absorption de saphotosphère mais la précision est d'environ 10 % au mieux pour quelques éléments chimiques.Genesis a pour objectif d'améliorer notre connaissance des proportions de chacun des éléments chimiques d'au moins unfacteur 3 ;
  • Genesis doit collecter de manière différenciée le vent solaire lors des trois régimes identifiés (du vent lent au vent rapide). Cela doit permettre de vérifier les méthodes de correction utilisées pour le calcul de l'abondance des éléments chimiques pour tenir compte des variations de vitesse (prise en compte du processus defirst ionization time ou FIT) ;
  • la collecte deGenesis doit permettre de constituer une réserve de matériau solaire qui pourra être utilisée lorsque des techniques d'analyse plus avancées seront disponibles.

Historique du projet

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Leprogramme Discovery est créé par la NASA au début desannées 1990 pour développer des missions spatiales interplanétaires de faible coût. L'agence spatiale effectue son premier appel à propositions pour ce programme en 1993 ; le centre spatial de la NASAJPL associé avec le constructeurLockheed Martin Space Systems présente une proposition de mission baptiséeSolar Wind Sample Return qui a pour objectif le retour sur Terre d'échantillons de particules devent solaire collectés dans l'espace interplanétaire. La proposition du JPL, renommée Suess-Urey, en l'honneur des deuxchimistes titulaires d'un prix Nobel en 1934[Note 1], est une des trois retenues pour une étude plus approfondie mais en 1995 elle est éliminée au cours de la sélection finale au profit deStardust. RebaptiséeGenesis elle est à nouveau proposée lors de l'appel à propositions suivant du programmeDiscovery et est finalement sélectionnée en en même temps que la missionCONTOUR[10]. La gestion du projetGenesis, qui est la cinquième mission du programmeDiscovery, est confiée au centre spatialJet Propulsion Laboratory (JPL). La sonde est construite par l'entrepriseLockheed Martin Space Systems pour un budget de 164 millions dedollars auxquels viendront s'ajouter par la suite 50 M$ pour le lancement et 45 M$ pour la mise en œuvre dans l'espace et l'analyse des échantillons au retour de mission[11],[12].

Conception de la mission

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Schéma 2 : Trajectoire de la sonde spatialeGenesis.

Genesis est une sonde spatiale en rotation sur elle-même (spinnée) à une vitesse de 1,6 tour par minute pour maintenir une orientation stable en réalisant peu de corrections. Elle doit être placée sur uneorbite de halo autour dupoint de Lagrange L1. Dans cette région de l'espace levent solaire n'est pas perturbé par lamagnétosphère de la Terre etGenesis peut se maintenir sur son orbite pratiquement sans dépenser d'énergie. L'axe autour duquel la sonde tourne est maintenu pointé à 4,5° de la direction du Soleil ce qui place la surface des collecteurs, lorsqu'ils sont déployés, perpendiculaire au vecteur de la vitesse apparente du flux des particules du vent solaire.Genesis doit rester 22 mois sur cette orbite en effectuant quotidiennement des petites corrections d'orientation et de temps à autre des corrections de trajectoire avec ses propulseurs les plus puissants nécessitant de mettre à l'abri les collecteurs pour ne pas les contaminer[13].

À l'issue de la phase de collecte la trajectoire deGenesis est modifiée de manière à l'amener aupoint de Lagrange L2 situé à l'opposé de L1 par rapport à la Terre. Après avoir fait une boucle autour de L2, sur le trajet de retour vers L1, la sonde spatiale passe à faible distance de laLune ce qui l'amène sur une trajectoire de collision avec la Terre[14]. La capsule de retour d'échantillon contenant les collecteurs est larguée par la sonde spatiale peu avant le survol de la Terre. La trajectoire est calculée pour que la capsule pénètre dans l'atmosphère terrestre en survolant le territoire des États-Unis d'ouest en est de manière à toucher le sol dans l'Utah Test and Training Range. Ce quadrilatère d'entraînement militaire de grande taille a été également utilisé en pour la récupération de la capsule deStardust qui ramenait surTerre des échantillons de lacomèteWild 2. La vitesse de rentrée dans l'atmosphère est de11,04 km/s et la capsule est protégée par unbouclier thermique de la chaleur intense générée par la friction. Un premier parachute pilote se déploie à une altitude de 33 km alors que la capsule a encore une vitessesupersonique. Un deuxième parachute se déploie à 6,7 km d'altitude de manière à abaisser la vitesse de descente à5 m/s. Les concepteurs de la mission ont choisi de récupérer la capsule en vol peu avant son arrivée au sol pour éviter une décélération qui serait trop brutale pour la fragile structure des collecteurs. Cette technique avait été utilisée dans lesannées 1960 pour la récupération des capsules larguées par les satellites de reconnaissancesatellites espions Corona américains contenant les films ainsi que durant laguerre du Viêt Nam. Deux hélicoptères[Note 2] sont chargés d'attraper la sonde avec un grappin avant de la déposer sur le sol, pour qu'elle soit débarrassée de son parachute, puis de l'amener dans unesalle blanche provisoire pour être vérifiée et purgée de tout contaminant avec de l'azote. La capsule devrait être acheminée ensuite dans un délai de 11 heures aucentre spatial Lyndon B. Johnson[15].

Caractéristiques techniques

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Genesis avec sa capsule au centre de la photo et ses panneaux solaires déployés.

Genesis est constituée d'une part de la capsule de retour d'échantillon d'autre part d'uneplateforme de 2 mètres sur 2,3 mètres sur laquelle sont regroupés tous les équipements permettant à la sonde spatiale de fonctionner.

La plateforme

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La plateforme comprend l'interface avec lelanceur, les batteries, lesviseurs d'étoiles etcapteurs solaires, les propulseurs et deux réservoirs sphériques contenant en tout 142 kg d'hydrazine utilisé pour les corrections de trajectoire et d'orientation. Deuxpanneaux solaires déployés dans l'espace s'étendent de part et d'autre de la plateforme et portent l'envergure de la sonde spatiale à 6,5 mètres. Ils fournissent en moyenne 281 watts de puissance électrique. La sonde spatiale dispose de deux jeux de propulseurs. La première série est constituée de deux ensembles demoteurs-fusées de 0,88 newton depoussée. Ils sont utilisés pour les petites corrections orbitales et pour maintenir la rotation de la sonde autour de son axe. Le deuxième jeu de moteurs-fusées est constitué de 4 propulseurs de 22 newtons de poussée qui sont utilisés pour les corrections de trajectoire les plus importantes. Lorsque ces derniers sont mis en œuvre, la capsule est fermée pour éviter toute contamination des collecteurs. Tous ces propulseurs brûlent de l'hydrazine mis sous pression par de l'hélium[16]. Le système de télécommunications deGenesis est constitué d'un émetteur-récepteur radio fonctionnant enbande S et d'un second fonctionnant enbande UHF. Ce dernier est situé dans la capsule et permet à celle-ci de signaler sa position lors de son retour sur Terre. L'émetteur récepteur principal utilise une antenne moyengain en forme de spirale et 3 antennes patch faible gain situées sous la sonde spatiale[16].

La capsule de retour d'échantillon

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La capsule deGenesis contenant les collecteurs et les échantillons de vent solaire se présente sur le plan géométrique comme deux cônes attachés par leur base. La capsule a un diamètre de 1,62 mètre et une masse de 205 kilogrammes. Elle comprend 5 sous-ensembles : lebouclier thermique recouvrant la coque avant, la coque arrière, le boitier scientifique contenant les collecteurs de vent solaire, le système de parachutes et l'avionique. La capsule comporte un couvercle articulé : à l'intérieur le boitier scientifique qui contient les collecteurs dispose lui-même d'un couvercle articulé. Quatre des collecteurs y sont empilés et pivotent sur un axe commun : le collecteur le plus haut est systématiquement exposé au vent solaire tandis que l'un des trois autres est déployé en fonction de la vitesse du vent solaire pour pouvoir analyser la composition du vent solaire en fonction de son régime. La structure de la capsule est réalisée en composite carbone-carbone et recouverte d'un matériau ablatif baptisé SLA-656 qui forme unbouclier thermique durant larentrée atmosphérique. 99 % de la chaleur créée par la traversée de l'atmosphère à grande vitesse est dissipée par évaporation du SLA-656. La capsule dispose de deuxparachutes : le premier dit pilote a un diamètre de 2,1 mètres et est déployé alors que la capsule a encore une vitesse supersonique. Le second, qui est de typeparafoil, fait 10,5 mètres de large sur 3,1 mètres et doit réduire la vitesse de12 m/s à4 m/s[17].

Schéma 3 : les principaux composants de la sonde spatiale.

La charge utile

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Photo d'une personne casquée présentant un collecteur de particule de vent solaire.
Un des cinq collecteurs principaux des particules de vent solaire avant son installation.

Lacharge utile, sous-ensemble de la sonde spatiale chargé de remplir les objectifs scientifiques, comprend plusieurs collecteurs de particules de différents types contenus dans une capsule qui doit revenir sur Terre. Par ailleurs deuxspectromètres sont chargés de déterminer le régime duvent solaire et de collecter des données sur celui-ci qui seront exploitées pour différentes études postérieures à la mission.

Les collecteurs

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Les collecteurs utilisent des matériaux d'une très grande pureté qui sont exposés au vent solaire pour recueillir lesions qui constituent celui-ci avant d'être ramenés sur Terre pour que ces particules soient analysées. Durant la mission les collecteurs sont exposés face à la direction du vent solaire et les ions viennent frapper leur surface avant de pénétrer à plus ou moins grande profondeur. Quinze types de matériau ont été utilisés pour permettre la capture de la majeure partie deséléments chimiques. La moitié de la surface des collecteurs est faite desilicium. Les collecteurs sont installés à différents endroits dans la capsule. Certains collecteurs ne sont exposés que pour certains régimes de vent solaire. Tous les collecteurs, sauf un, fonctionnent de manière passive[18] :

Matériaux utilisés par les collecteurs[24]
Matériau du collecteurCaractéristiquesImplantationÉléments chimiques collectés% surface
collecteurs
principaux
Diamant à base de13CConcentrateurOxygène,néon,fluor
Carbure de siliciumConcentrateurOxygène, néon, lithium,béryllium,bore, fluor
Carbone adamantinConcentrateur
Collecteurs principaux
Azote, isotopes degaz nobles5,6 %
AluminiumCollecteurs principauxGaz nobles9,3 %
SiliciumRéalisés par le procédé de la
zone fondue flottante verticale
Collecteurs principauxTous les éléments chimiques sauf lefer et lesalcalins34 %
SiliciumRéalisés par leprocédé de CzochralskiCollecteurs principauxComme le précédent hormis le carbone et l'oxygène17,9 %
SiliciumSilicium surcorindonCollecteurs principauxCarbone ; matériau simplifiant l'extraction6,5 %
GermaniumCollecteurs principauxPeu d'impuretés. En complément des collecteurs en silicium
pour les analyses par le SIMS car peu d'interférences moléculaires
5,9 %
Or sur corindonCollecteurs principauxAzote, fer, alcalins13,1 %
CorindonCollecteurs principauxAlcalins6,8 %
Carbone,cobalt, or sur corindonCollecteurs principauxSEP (en)0,6 %
Verre métalliqueAxe système déploiement
collecteurs principaux
Gaz nobles, SEP
Alliage d'aluminiumAl661 poliCollecteur latéralVent solaire
OrFeuille d'orCollecteur latéralVent solaire, azote
MolybdèneFeuilleté : molybdène surplatineCouvercle capsule de
retour d’échantillon
Radioisotopes tels que lebéryllium 10 et lecarbone 14

Les spectromètres

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Lesspectromètres GIM (Genesis Ion Monitor) et GEM (Genesis Electron Monitor), qui sont fixés sur la plateforme, ont pour objectif principal de déterminer les caractéristiques du vent solaire afin d'adapter les dispositifs collecteurs. Ils déterminent le spectre énergétique des particules incidentes. La tension électrique appliquée au concentrateur de vent solaire (décrit ci-dessous) est modifiée en fonction de cette mesure. Celle-ci est également utilisée pour déterminer lequel des trois collecteurs mobiles doit être déployé. Enfin un objectif secondaire est de fournir des données de grande qualité sur les caractéristiques du vent solaire utilisables pour des études scientifiques. GIM permet de mesurer l'énergie des ions ayant une énergie comprise entre100 eV et14 keV avec une précision de 5,2 %. GEM mesure l'énergie des électrons lorsque celle-ci est comprise entre1 et 1 400 eV avec une précision de 14 %[25],[26].

  • Charge utile
  • Instrument GEM.
    Instrument GEM.
  • Instrument GIM.
    Instrument GIM.
  • Gros plan sur un des cinq collecteurs.
    Gros plan sur un des cinq collecteurs.

Déroulement de la mission

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Séance d'entraînement à la récupération de la capsule deGenesis : il est prévu que l'équipage d'un hélicoptère attrape le parachute de la capsule avant de la déposer en douceur sur le sol.
La capsule deGenesis fortement endommagée après son atterrissage brutal à311 km/h.

Genesis est lancée en et collecte durant près de deux ans et demi des particules duvent solaire. La mission se déroule de manière nominale mais lorsque la capsule d'échantillon revient sur Terre le, le parachute ne se déploie pas et celle-ci s'écrase au sol à grande vitesse en détruisant les collecteurs. Au prix d'un minutieux travail de nettoyage étalé sur plusieurs années et qui se poursuivait toujours en 2013, des résultats parviennent néanmoins à être obtenus à partir des morceaux de collecteurs récupérés.

Lancement et collecte des échantillons du vent solaire

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La sonde spatialeGenesis est lancée par une fuséeDeltaII 7326, le depuis labase de Cap Canaveral, enFloride[27]. Après un transit de 1,5 million de km durant lequel les instruments et équipements de la sonde sont testés[28],Genesis se place le sur une orbite de halo autour dupoint de Lagrange L1 entre laTerre et le Soleil. Dans cette région de l'espace les attractions terrestre et solaire s'équilibrent[29]. Le la sonde spatiale déploie pour la première fois ses collecteurs et commence à récolter les particules solaires[30]. La sonde effectue cinq révolutions du au, soit durant 884 jours, les différents collecteurs sont exposés au vent solaire. Ils collectent 1020 ions, soit environ 0,4 mg de matière[31].

Retour sur Terre de la capsule

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Le,Genesis réalise la première des cinq manœuvres destinées à ramener la sonde spatiale à proximité de la Terre[32]. La phase de 30 jours qui précède le retour de la capsule d'échantillons sur Terre débute le. Pour que la capsule puisse être récupérée, il faut qu'elle pénètre dans l'atmosphère de la Terre le à16 h 55 UT à 125 km d'altitude en visant une ellipse de 33 km de long pour 10 km de large. Quelques heures avant cet événement, l'équipe chargée de la conduite des opérations estime que la sonde spatiale est sur une trajectoire correcte et transmet une série de commandes qui doit aboutir à la séparation de la sonde spatiale et de la capsule 4 heures avant la rentrée atmosphérique[33]. La sonde spatiale pénètre dans l'atmosphère terrestre à une vitesse de11 km/s. Après avoir survécu à la phase de décélération violente, la sonde fortement ralentie doit déployer un parachute pilote puis le parachute principal. Mais ni l'un ni l'autre ne s'ouvrent et la capsule s’écrase dans le désert de l'Utah, percutant le sol à la vitesse de311 km/h. La capsule est retrouvée à moitié enfoncée dans le sol : elle a été éventrée par le choc et le boitier scientifique s'est lui-même ouvert exposant les collecteurs à l'air libre. Ceux-ci sont contaminés à la fois par des fragments du sol avoisinant et par des morceaux du bouclier thermique ainsi que d'autres composants de la capsule[34]. La sonde allégée de la capsule poursuit sa trajectoire vers lepoint de Lagrange L1. Tous les équipements sont en parfait état de marche et la sonde s'oriente automatiquement de manière que ses panneaux solaires lui fournissent l'énergie dont elle a besoin. Les deuxspectromètres, bien qu'en parfait état de marche, sont éteints. Une dernière correction de trajectoire est effectuée le pour s'assurer que la sonde spatiale échappe à l'attraction dusystème Terre-Lune. Aucun prolongement de mission n'ayant été financé, la sonde spatiale est depuis le sur uneorbite héliocentrique à une distance plus proche du Soleil que la Terre[35].

Récupération des échantillons

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Malgré le choc très violent qui a brisé la majeure partie des différents collecteurs et les a contaminés, les scientifiques décident de tenter de récupérer les échantillons de vent solaire. La première tâche de l'équipe projet est d'identifier les débris, d'évaluer le niveau de contamination jusqu'au niveau moléculaire et de fournir une description détaillée des dommages induits par l'abrasion physique, les réactions chimiques et d'autres processus[34] :

  • L'évaluation des dommages
  • Les collecteurs déformés par le choc sont extraits de la capsule après leur retour sur Terre.
    Les collecteurs déformés par le choc sont extraits de la capsule après leur retour sur Terre.
  • Fragments des collecteurs rassemblés par type de matériaux.
    Fragments des collecteurs rassemblés par type de matériaux.
  • La cible du concentrateur qui est pratiquement intacte est désassemblée après son retour sur Terre.
    La cible du concentrateur qui est pratiquement intacte est désassemblée après son retour sur Terre.

L'équipe projet s'est retrouvée avec 15 000 morceaux de galette dont de nombreux particulièrement petits[Note 3]. Les échantillons de vent solaire sont enfouis à une faible profondeur dans les galettes des collecteurs (à partir de 20 nanomètres) mais celle-ci est jugée suffisante pour obtenir des résultats non perturbés par la contamination subie à l'atterrissage. Il faut toutefois parvenir au préalable à éliminer les saletés qui ont recouvert la surface. Plusieurs méthodes sont testées sur des échantillons considérés comme perdus comme l'utilisation d'ondes acoustiques à très haute fréquence. Ce travail de nettoyage s'est poursuivi sur plusieurs années[36].

Résultats scientifiques

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Le spectromètre de masse SIMS est un des instruments utilisés pour analyser les atomes de vent solaire piégé dans les collecteurs.

En2013, l'analyse des échantillons de vent solaire se poursuit toujours. Burnett, responsable scientifique de la mission, estimait en 2007 que la majeure partie des 19 objectifs fixés à la mission serait atteints à terme. À cette date, deux d'entre eux avaient déjà été remplis :

  • la mesure des ratios des isotopes de l'argon36Ar /Ar38 et dunéon20Ne/22Ne dans le vent solaire particulièrement précis. Dans les deux cas, ces ratios sont plus élevés que dans l'atmosphère terrestre ;
  • l'énigme concernant les écarts constatés dans le ratio20Ne/22Ne dans plusieurs échantillons de régolite collectés par les équipages des missions Apollo sur le sol lunaire (évoqué dans le paragraphe sur l’énigme du ratio des isotopes de l'azote) a été résolu. Selon l'échantillon, le ratio mesuré oscillait de 13,8 et 11,2. Le premier chiffre était cohérent avec l'étude du collecteur en aluminium également utilisé par les équipages Apollo. Pour expliquer l'autre chiffre, certains scientifiques avaient émis l'hypothèse d'une variation séculaire des caractéristiques du vent solaire. Mais en analysant des échantillons recueillis parGenesis, une équipe suisse de l'Institut fédéral suisse de technologie a mis en évidence que le ratio variait avec la profondeur à laquelle les atomes de néon étaient enfouis, ce qui expliquait les écarts constatés[36],[37].

En 2011, deux nouveaux résultats importants ont pu être obtenus à partir de l'analyse d'échantillons de vent solaire collectés parGenesis. Les chercheurs duCentre de recherches pétrographiques et géochimiques deNancy, en utilisant unesonde ionique, ont mesuré que le Soleil était de 60 % plus pauvre en isotope de l'azote15N que la Terre. Ce ratio est par contre identique à celui mesuré surJupiter 10 ans auparavant par une sonde spatiale de la NASA, ce qui semble prouver que les planètes gazeuses géantes, dont fait partie Jupiter, sont constituées de gaz présents dans la nébuleuse à l'origine. Cette découverte contribue donc à lever l'hypothèque que faisait peser les ratios de l'azote mesurés jusque-là sur le modèle de la nébuleuse homogène. Des chercheurs américains, de leur côté, ont découvert que l'oxygène du Soleil est appauvri en isotopes rares (17O et18O) par rapport à celui de la Terre. La détermination des processus à l'origine de ces écarts permettra de préciser le scénario de formation du système solaire[38].

L'enquête sur l'anomalie de fonctionnement de la capsule

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Vue partielle de la capsule avec un gros plan sur un des accéléromètres dont l'installation erronée dans une position inversée est à l'origine de l'incident du retour (le crayon donne l'échelle).

La commission d'enquête MIB (Mishap Investigation Board), composée de 16 membres, est formée par laNASA en, pour déterminer les origines de l'anomalie de fonctionnement de la capsuleGenesis à son retour sur Terre. La commission est composée notamment de spécialistes de l'avionique et desengins pyrotechniques. Très rapidement, en, l'origine de la défaillance est officialisée : de petitsaccéléromètres étaient chargés de détecter la décélération très importante (> 3 g) due à larentrée atmosphérique, puis la fin de cette phase (décélération < 3 g). Ce dernier événement devait déclencher l'ouverture du premier parachute. Les enquêteurs ont découvert que les accéléromètres avaient été montés à l'envers et étaient donc dans l'incapacité de détecter les phases de décélération. L'anomalie de montage n'avait pas été repérée au cours des trois procédures de vérification prévues avant l'envol, car celles-ci avaient été effectuées de manière superficielle. La commission attribua l'anomalie à des problèmes d'organisation dans les services de l'agence spatiale comme dans ceux du constructeur. Prenant en compte les deux échecs récents des missionsMars Climate Orbiter etMars Polar Lander, la commission met surtout en cause la philosophie duBetter, Faster, Cheaper[Note 4] sous-tendant tous ces programmes[39].

Notes et références

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Notes

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  1. Hans E. Suess etHarold C. Urey avaient rédigé en 1954 un article fondamental sur la composition enéléments basée sur des données géochimiques et astronomiques.
  2. Cette technique avait été mise en œuvre par des avions pour les capsules Corona mais la décélération de 4 g par cette technique était jugée trop importante. Les hélicoptères permettaient d'effectuer cette manœuvre avec une décélération de 2 g.
  3. Les morceaux de galette récupérés comprenaient 400 fragments de plus de 25 mm, 1 700 entre 10 mm et 25 mm et 7 200 fragments de moins de 10 mm.
  4. Mieux, plus vite, moins cher slogan lancé par l'administrateur de la NASADaniel Goldin. À la suite de plusieurs missions d'exploration du système solaire particulièrement coûteuses, celui-ci avait décidé de mettre sur pied, dans le cadre duprogramme Discovery, des missions plus petites et plus spécialisées, emportant moins d'instruments scientifiques, mais en contrepartie moins chères, moins complexes et donc développées plus rapidement.

Références

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  1. (en) « Solar System Missions », surNASA - Office of Planetary Protection,NASA(consulté le).
  2. a etbBurnettet al. 2003,p. 510.
  3. Karine Issautier, « Caractéristiques générales du vent solaire », surLESIA,.
  4. a etbBurnettet al. 2003,p. 513.
  5. Burnettet al. 2003,p. 517.
  6. Burnettet al. 2003,p. 515-517.
  7. Burnettet al. 2003,p. 517-518.
  8. Burnettet al. 2003,p. 511.
  9. Burnettet al. 2003,p. 512-514.
  10. Ulivi et Harland 2012,p. 242.
  11. (en) « Genesis », surCatalogue NASA NSSDC(consulté le).
  12. (en) Justin Ray, « Genesis launch : mission status center », surspaceflightnow.com,.
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  37. Wienset al. 2007,p. 166.
  38. « « L'ADN » du Soleil révélé »(Archive.orgWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?), surCNRS,.
  39. NASA - Enquête,p. 1-3.

Voir aussi

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Bibliographie

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Document utilisé pour la rédaction de l’article : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

Articles scientifiques décrivant la mission

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Articles scientifiques présentant les résultats

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Documents de la NASA

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Autres ouvrages et documents

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Articles connexes

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