À l’intérieur du plan fou pour ramasser et ramener à la maison un peu de l’atmosphère de Vénus

Si vous avez suivi l'actualité spatiale récemment, vous avez probablement entendu parler de Mars Sample Return, le plan ambitieux de la NASA visant à collecter des échantillons de roches martiennes et à les ramener sur Terre pour les étudier. Cette mission devrait être lancée plus tard cette décennie, mais la collecte et la récupération de ces échantillons prendront des années et seront extrêmement coûteuses.

Mais Mars n'est pas la seule planète à distance de visite. Pourquoi ne sautons-nous pas vers notre autre planète voisine, Vénus, et prélevons-nous également un échantillon là-bas ?

C'est exactement ce que propose un groupe de chercheurs sur Vénus. Nous avons parlé au chef du groupe de proposition pour en savoir plus.

Une vieille idée dont le temps est venu

Les scientifiques discutent des mérites d'essayer de récupérer un échantillon de Vénus depuis des décennies, avec des concepts de mission étudiés dès les années 1980. Bien que Mars ait été la planète qui a reçu le plus d'attention ces dernières années, la communauté scientifique planétaire souhaite en savoir plus sur Vénus, en particulier parce que cela pourrait nous aider à mieux comprendre les autres planètes en dehors de notre système solaire.

Maintenant, cela pourrait changer, alors que la NASA lance la décennie de Vénus avec une paire de missions qui s'y rendront, ainsi qu'une mission de l'Agence spatiale européenne, toutes prévues pour la prochaine décennie.

Les précédentes missions d'échantillonnage de Vénus n'ont jamais démarré pour plusieurs raisons : l'accent mis sur Mars au-dessus de Vénus, le manque de technologie pour permettre une opération aussi complexe et l'inhospitalité essentielle de Vénus. Vénus est chaude, avec une atmosphère extrêmement dense, créant un environnement très difficile dans lequel l'électronique peut fonctionner.

Essayer de voler vers Vénus, envoyer une sonde à la surface, collecter un échantillon, remettre cet échantillon en orbite, puis le renvoyer sur Terre serait à la fois d'un coût prohibitif et nécessiterait des développements technologiques importants.

C'est pourquoi un groupe de chercheurs français a une approche différente. Au lieu d'essayer de collecter un morceau de la surface de Vénus, nous devrions essayer de saisir une partie de son atmosphère. La mission Venus Atmospheric Sample Return ou VATMOS-SR est un concept de mission d'un groupe de l'Institut de physique planétaire de Paris, qui tente de trouver un soutien pour son idée.

Le grand avantage de cette approche est sa relative simplicité. Il n'est pas nécessaire d'atterrir quoi que ce soit à la surface ou de se remettre en orbite. Au lieu de cela, vous pourriez envoyer un vaisseau spatial sur un chemin loin de la Terre et vers Vénus, où il entrerait dans l'atmosphère et remplirait des bouteilles avec environ quatre litres de gaz. Ensuite, il continuerait de voyager jusqu'à la Terre.

Le vaisseau spatial n'aurait aucun instrument et ne prendrait aucune lecture. Ce ne serait qu'un véhicule de collection. Cela le rend plus sûr, plus facile et moins cher, a expliqué le chercheur principal Guillaume Avice à Digital Trends.

"Vous ne faites que survoler l'atmosphère sur une trajectoire balistique", a déclaré Avice. "Il ne faut donc qu'un an pour y aller, prélever votre échantillon et revenir sur Terre."

Planifier à long terme

De nos jours, les missions de science planétaire impliquent généralement d'envoyer des instruments (tels que ceux des rovers martiens) à un endroit et de leur faire prendre des mesures. Cette approche préconise de collecter du matériel et de le ramener sur Terre à la place, où nous avons des instruments beaucoup plus capables et variés pour enquêter.

Et avec un précieux échantillon d'une autre planète, un peu suffit. Un échantillon de plusieurs litres de gaz pourrait occuper les scientifiques pendant des années.

"Ce qui est vraiment cool, c'est que vous obtenez beaucoup de gaz et que vous pouvez le mesurer, pas pour toujours, mais pendant longtemps sur Terre", a expliqué Avice. « Si vous y réfléchissez, vous pouvez conserver un peu de cet échantillon. Peut-être que dans une décennie, nous aurons un nouveau spectromètre sur Terre qui sera utile pour cet échantillon.

Cette planification pour l'avenir prend tout son sens quand on regarde comment la NASA a abordé les échantillons lunaires collectés lors des missions Apollo sur la lune. Certains échantillons ont été analysés dès leur retour sur Terre, mais d'autres ont été stockés sur la base que la technologie future permettrait de les analyser de manière plus approfondie. Et cette approche à long terme a porté ses fruits, avec un échantillon de 50 ans ouvert l'année dernière et révélant des informations sur la géologie et l'histoire de la lune.

Si nous pouvions prélever un échantillon similaire de l'atmosphère de Vénus, une grande partie pourrait également être stockée à long terme. Et les chercheurs bénéficieraient même d'une poignée d'atomes d'un échantillon de gaz, donc un échantillon de plusieurs litres serait suffisant pour fournir du matériel de recherche à l'ensemble de la communauté vénusienne.

Une mission à venir sur Vénus appelée Davinci prévoit de faire des mesures similaires de l'atmosphère, mais dans ce cas, il y a un vrai problème de temps. La mission consiste à faire tomber une sphère d'échantillon dans l'atmosphère, de sorte que les échantillons doivent être prélevés et traités en une heure seulement.

Cela a causé des problèmes avec les missions Vénus précédentes au cours des décennies précédentes, ce qui a entraîné des résultats brouillés probablement en raison d'étalonnages incorrects ou d'évents obstrués. Les ingénieurs font de leur mieux pour anticiper tout problème éventuel d'échantillonnage, mais c'est difficile à faire quand il y a tant d'inconnues sur l'environnement dans lequel une mission entre.

Si un échantillon est ramené sur Terre, cependant, il reste suffisamment de temps pour calibrer les instruments et revérifier les résultats, ce qui rend les résultats plus fiables.

Il y a certaines complexités à prélever un échantillon à des vitesses très élevées. Un processus appelé fractionnement se produit qui peut diviser un échantillon en différentes parties lorsqu'il est collecté si rapidement, mais il devrait être possible de corriger cela.

Comment fonctionnerait la mission d'échantillonnage atmosphérique

Il y a de bonnes raisons pour lesquelles personne n'a tenté une mission de retour d'échantillons de Vénus auparavant. Parce que ce n'est pas facile.

Le parallèle évident avec une mission de retour d'échantillons de Vénus serait la mission Mars Sample Return, une coentreprise à venir entre la NASA et l'Agence spatiale européenne qui devrait être lancée à la fin des années 2020. Ce plan de collecte d'un échantillon de Mars implique plusieurs rovers, atterrisseurs ou hélicoptères, est en préparation depuis des décennies et dispose d'un budget gonflé qui inquiète même les fervents passionnés de Mars.

Et Vénus est encore plus inhospitalière que Mars, avec son atmosphère épaisse, ses nuages ​​d'acide sulfurique et sa pression comparable aux profondeurs de l'océan. Une tentative de retour d'un échantillon de la surface de Vénus serait un "cauchemar", a déclaré Avice, et "probablement encore plus cher que sur Mars".

C'est pourquoi le groupe d'Avice propose plutôt de prélever un échantillon de l'atmosphère de la planète. "C'est super bon marché", a-t-il dit, relativement parlant : le groupe estime le coût d'une telle mission à 100 millions d'euros (110 millions de dollars), par rapport aux estimations actuelles de 8 à 9 milliards de dollars pour Mars Sample Return.

Même avec la facilité relative d'un échantillon atmosphérique, cependant, aucun vieux morceau de l'atmosphère ne fera l'affaire. À très haute altitude, l'atmosphère est extrêmement fine et certaines molécules sont séparées par la gravité. Ainsi, pour obtenir un échantillon représentatif, il faut descendre en dessous d'un niveau appelé l'homopause, en dessous duquel l'atmosphère est suffisamment bien mélangée pour contenir toutes les différentes molécules présentes.

Chez Vénus, l'homopause est à environ 110 km (70 miles) de la surface, la mission doit donc descendre en dessous de ce niveau. Mais plus vous allez loin, plus la mission devient difficile. "Donc, l'objectif est d'être juste en dessous de l'homopause, avec une certaine marge de sécurité", a déclaré Avice. "Si nous allons plus loin, cela devient beaucoup plus difficile et coûteux."

Les défis

Cependant, même le simple fait de traverser l'atmosphère de la planète est difficile. Un grand défi est la question de garder le vaisseau spatial à l'abri de l'énorme chaleur qui s'accumule en raison de la friction dans l'atmosphère.

Les engins spatiaux qui vont entrer dans l'atmosphère d'une planète – qu'il s'agisse de visiter une autre planète comme Mars ou un engin spatial revenant sur Terre à travers l'atmosphère de notre propre planète – ont un épais bouclier thermique qui protège les composants délicats à l'intérieur des températures très élevées.

Livrer un rover sur Mars, par exemple, implique d'envelopper le rover dans un bouclier thermique, puis de sceller le tout – rover et bouclier thermique ensemble, ainsi que des propulseurs et d'autres pièces de vaisseau spatial – dans le nez d'une fusée pour le lancement. Une fois dans l'espace, le vaisseau spatial est déployé et voyage vers Mars, puis le bouclier thermique protège le rover lors de son passage dans l'atmosphère pour atterrir.

Pour une mission d'échantillonnage atmosphérique, cependant, vous auriez besoin d'un bouclier thermique pour fonctionner deux fois – à la fois pendant l'échantillonnage à Vénus et à nouveau lors du retour de l'échantillon sur Terre. Il n'est pas clair si la technologie actuelle de bouclier thermique serait à la hauteur de la tâche de protéger un vaisseau spatial à travers deux de ces expositions.

Faire fonctionner un bouclier thermique deux fois est "quelque chose que nous ne savons pas vraiment faire", a déclaré Avice. Et cela pourrait nécessiter des années de développement pour fonctionner, si c'est même possible.

Que faire de l'échantillon une fois de retour sur Terre

Un autre défi est surprenant. Vous pourriez penser que la collecte d'un échantillon est la partie la plus difficile, et l'analyser une fois qu'il est de retour sur Terre serait facile. Mais il s'avère que travailler avec des échantillons de gaz est plus difficile que vous ne l'imaginez.

L'atmosphère de Vénus est pleine de substances qui s'évaporent facilement, appelées volatiles. Ceux-ci comprennent des gaz rares et des composés tels que l'azote, l'hydrogène, le carbone et le soufre. Les étudier est essentiel pour comprendre l'atmosphère de Vénus, mais ils ne sont pas faciles à transporter ou à étudier.

Pour piéger correctement un volatil dans une bouteille d'échantillon, vous avez besoin d'une très bonne valve – à la fois pour qu'aucun échantillon ne s'échappe et pour qu'aucun des gaz d'autres environnements comme l'atmosphère terrestre ne s'infiltre. C'était un problème pour la mission Hayabusa2 qui a réussi à renvoyer un échantillon d'un astéroïde mais a subi une fuite dans l'atmosphère terrestre probablement causée par le choc du déploiement du parachute lors de son retour sur Terre.

Même si l'échantillon revient sur Terre complètement vierge, sans aucune fuite, vous devez toujours vous déplacer rapidement pour transférer l'échantillon de sa bouteille dans un récipient plus sûr. Même les vannes les plus étanches fuiront un peu au fil des mois, vous avez donc besoin d'un système de plusieurs conteneurs qui peuvent capturer tout ce qui fuit de l'échantillon et en conserver le plus possible.

Les chercheurs développent des systèmes de vide pour extraire et analyser les gaz , y compris ceux utilisés pour l'échantillon Hayabusa2 , mais il s'agit encore d'un nouveau domaine technologique qui doit être développé pour qu'une mission de retour d'échantillon atmosphérique soit pleinement efficace.

L'avenir de la science planétaire : in situ vs retour d'échantillon

La mission d'échantillonnage atmosphérique est encore fermement au stade de la conception, et le groupe espère qu'elle sera reprise lors de la prochaine série de propositions pour l'Agence spatiale européenne ou peut-être la NASA.

C'est un plan ambitieux, mais ce n'est pas un concept aussi farfelu qu'il l'aurait été il y a quelques années. "Il y a des décennies, le retour d'échantillons n'était qu'un rêve et pas vraiment sérieux", a déclaré Avice. Mais maintenant, avec des missions précédentes comme Hayabusa2 et des missions à venir comme Mars Sample Return, cela devient une réelle possibilité.

Et il y a le potentiel de montrer que le retour d'échantillon peut être fait relativement rapidement et à moindre coût, en raison des trajectoires possibles entre la Terre et Vénus et parce qu'un vaisseau spatial n'aurait pas à ralentir, à remonter à la surface et à revenir en orbite avant de retourner sur Terre.

La mission pourrait potentiellement être un aller-retour rapide, renvoyant un échantillon dans un délai d'un an.

"Ce qui est vraiment cool, c'est que nous obtiendrions un échantillon de l'atmosphère de Vénus avant d'obtenir des échantillons de Mars", a déclaré Avice. "Ce serait donc le premier échantillon d'une autre planète."