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Objectif Titan
Le CNES et la NASA ont signé un accord de coopération portant sur Dragonfly, la quatrième mission du programme américain New Frontiers, qui regroupe plusieurs missions spatiales en charge de l’exploration du Système solaire. L’objectif de Dragonfly est d’étudier Titan, le plus gros satellite naturel de Saturne. Le lancement est programmé en 2027 pour un atterrissage et le début des opérations à partir de 2034.
Dragonfly (libellule en anglais) est une mission d’exploration du Système solaire de la NASA, dont l’objectif est d’étudier Titan, le plus grand satellite naturel de Saturne. Le cœur de la mission est constitué d’un drone qui permettra d’étudier au moins une douzaine de sites géologiques à la surface de Titan. La durée de la mission est fixée à deux ans et demi.
Le projet Dragonfly a été l’un des deux finalistes retenus pour la quatrième mission du programme New Frontiers, qui regroupe des sondes spatiales chargées d’explorer le Système solaire avec un coût plafonné à un milliard de dollars. La mission doit décoller en 2027 et se poser sur Titan en décembre 2034.
Le deuxième plus grand satellite du Système solaire
D’un diamètre 6 % plus grand que celui de Mercure, Titan est, par la taille, le deuxième satellite du Système solaire après Ganymède. Découvert par l’astronome néerlandais Christian Huygens en 1655, Titan est principalement composé de roche et de glace. Outre quelques montagnes et cryovolcans, sa surface est relativement plate et lisse, présentant peu de cratères d’impact. Son épaisse atmosphère – il est le seul satellite connu à posséder une atmosphère dense – a longtemps empêché l’observation de sa surface, jusqu’à l’arrivée de la mission Cassini-Huygens qui, de 2004 à 2017, a permis la découverte de lacs et de pluies de méthane et d’éthane dans ses régions polaires.
Titan a ainsi passé du statut de « lune mystérieuse » à celui d’un endroit familier et de grand intérêt, dont les paysages rappellent ceux de la Terre. Son atmosphère et sa chimie du carbone et de l’azote, à l’origine de molécules organiques complexes et diversifiées, en font un véritable laboratoire à ciel ouvert, à une échelle planétaire. Mais cette chimie, qui pourrait produire des composés essentiels pour les organismes vivants, garde encore une grande part de mystères.
La mission Dragonfly est notamment dédiée à lever ce voile.
La mission Dragonfly
La mission spatiale Dragonfly met en oeuvre un aérobot de type aérogire, d’une masse de 450 kg, qui effectuera de multiples vols de courte durée pour étudier la basse atmosphère et la surface de Titan. Pour disposer de suffisamment d’énergie pour fonctionner et résister à une température moyenne de -180 °C, cet engin spatial disposera d’un générateur thermoélectrique à radioisotope. Il bénéficiera de la présence sur Titan d’une atmosphère dense – 1,5 fois celle de la Terre – et d’une gravité inférieure à celle de la Lune.
Titan, le plus gros satellite de Saturne, est situé à 1,5 milliards de kilomètres de la Terre. @NASA
La contribution européenne
La principale contribution européenne au projet Dragonfly est pilotée par le laboratoire français LATMOS (Laboratoire Atmosphères, Observations Spatiales). Elle porte sur la conception et la construction du système DraMS-GC (Dragonfly Mass Spectrometer-Gas Chromathography), un chromatographe en phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse, qui constitue un ensemble instrumental apte à effectuer des analyses chimiques. Ces instruments permettront de rechercher et d’identifier une large gamme de composés organiques, ainsi que de potentielles traces de vie (biosignatures) dans des échantillons d’atmosphère et de surface.
À cette fin, le drone atterrira de manière autonome dans le champ de dunes de Shangri-La, près du cratère d’impact Selk. Il explorera cette région particulièrement propice au développement d’une chimie d’intérêt pour la vie. Les objectifs scientifiques de la mission Dragonfly concernent principalement des mesures de surface. Certaines mesures programmatiques et scientifiques en vol seront également effectuées.
Les équipements emportés
La charge utile de Dragonfly comprend, en plus des instruments DraGMet et DraMS, un spectromètre gamma et neutrons DraGNS, ainsi qu’une série de caméras. La fourniture française est constituée de modules de l’instrument DraMS, à savoir le sous-système DraMS-GC, deux réservoirs d’hélium, ainsi que des cellules de réactifs chimiques. Le module DraMS-GC est composé de deux pièges à injection, ainsi que de deux colonnes chromatographiques capillaires. Les pièges permettent de concentrer les molécules relâchées par les échantillons chauffés dans le four à pyrolyse. Quant aux colonnes, elles permettent de séparer ces molécules volatiles une fois relâchées des pièges, afin de pouvoir les identifier individuellement dans le spectromètre de masse. Les deux colonnes proposées sont complémentaires sur leurs capacités de séparation des composés d’intérêt, tout en gardant un certain recouvrement afin d’assurer la redondance.
Avec ses allures de libellule, l’aérobot Dragonfly a pour objectif d’étudier Titan, le plus grand satellite naturel de Saturne. (Vue d’artiste) @DR
Le LATMOS
Le Laboratoire Atmosphères, Observations Spatiales est une unité mixte de recherche spécialisée dans l’étude des processus physico-chimiques fondamentaux régissant les atmosphères terrestre et planétaires, ainsi que leurs interfaces avec la surface, l’océan et le milieu interplanétaire. Il a développé une forte compétence instrumentale, construit des instruments innovants déployés depuis le sol, mis en orbite ou partant à la rencontre d’autres corps du Système solaire. Des modèles numériques d’atmosphère sont également développés et utilisés pour interpréter les diverses observations.
Le LATMOS est spécialisé dans l’étude des planètes et des petits corps du Système solaire, ainsi que dans la physique de l’héliosphère, de l’exosphère des planètes ainsi que des plasmas du Système solaire. Organisé en six départements scientifiques et trois départements techniques répartis sur deux sites – Guyancourt et Sorbonne Université –, le LATMOS regroupe environ 230 personnes, dont 150 permanents.
Les participants au projet
Le LATMOS est le laboratoire ayant la maîtrise d’oeuvre de la fourniture française sur le système DraMS, alors que le centre GSFC (Goddard Space Flight Center) de la NASA est maître d’oeuvre de l’instrument DraMS. Le centre Applied Physics Laboratory (APL) du Johns Hopkins University (JHU) a la responsabilité de la mission Dragonfly.
Le Centre national d’études spatiales (CNES) assure la fonction de maître d’ouvrage sur ce projet. Il est responsable de la fourniture de certains composants clés (dont un ensemble de 16 micro-vannes fabriquées par Air Liquide Advanced technologies) et fait intervenir sur le projet un nombre important d’experts. La station géophysique et météorologique DraGMet, à laquelle des scientifiques français contribuent par leur expertise, fait également partie du projet.
Le CNES
Le Centre national d’études spatiales (CNES) est un établissement public à caractère industriel et commercial, chargé d’élaborer et de proposer au gouvernement français le programme spatial et de le mettre en oeuvre. Le CNES disposait d’un budget de 2,78 milliards d’euros en 2020, le plus important en Europe et le deuxième au monde. Il inclut la part reversée à l’Agence spatiale européenne – dont le CNES est le plus gros contributeur à hauteur de 1,401 milliards d’euros en 2020 –, qui est consacrée essentiellement aux missions scientifiques (astronomie, exploration du Système solaire, étude de la Terre) et aux investissements dans les lanceurs.
Les mesures de surface
Les mesures de surface que Dragonfly devra effectuer consisteront à :
– Identifier les composés chimiques de surface et déterminer le niveau de complexité que la chimie a pu atteindre dans un environnement comportant les conditions essentielles pour le développement de la vie.
– Mesurer la composition élémentaire de la surface de Titan.
– Surveiller les conditions atmosphériques et de surface.
– Caractériser la géologie de l’astre.
– Réaliser des études sismiques pour détecter l’activité et la structure du sous-sol.
– Prélever des échantillons des matériaux en surface et identifier à l’aide d’un spectromètre de masse, ses éléments chimiques ainsi que les processus produisant des composants significatifs sur le plan biologique.
– Mesurer les éléments chimiques présents à la surface à l’aide d’un spectromètre à rayons gamma.
– Enregistrer à l’aide de capteurs météorologiques, les conditions atmosphériques et de surface, en particulier les changements dus au lieu et au cycle diurne.
– Réaliser des photos permettant de caractériser les formations géologiques.
Les mesures en vol
Les mesures en vol auront pour but de :
– Caractériser les profils atmosphériques proches de la surface.
– Fournir un contexte pour les mesures de surface et le repérage des sites d’intérêt.
– Établir des profils atmosphériques.
– Réaliser des photos aériennes de la géologie de la surface.
– Fournir le contexte des mesures effectuées en surface et effectuer des reconnaissances
des sites présentant un intérêt scientifique.
