L'ingénierie des engins spatiaux pour la collecte d'échantillons sur les corps volatils-rich

Les corps célestes riches en volatiles, les comètes, les lunes glacées et les astéroïdes primitifs, contiennent de la glace d'eau, du dioxyde de carbone congelé, du méthane, de l'ammoniac et des composés organiques complexes. Ces matériaux sont des reliques vierges de la formation du système solaire, qui contiennent des indices sur les origines de l'eau et de la chimie organique sur Terre.

Défis uniques des environnements volatils et de Rich

Les corps volatils présentent une combinaison de conditions extrêmes rarement rencontrées ailleurs : microgravité, froid sévère, atmosphères ou exosphères ténues, et surfaces qui peuvent être fragiles, molles ou recouvertes de glace sublimante. Les ingénieurs doivent concevoir des engins spatiaux qui non seulement survivent et fonctionnent mais aussi recueillent des échantillons vierges sans modifier leur contenu volatil.

Opérations à faible gravité et ancrage

Les comètes et les petites lunes glacées ont une gravité de surface très faible, souvent quelques pour cent de la Terre. Les jambes d'atterrissage standard ou les bras robotiques conçus pour les corps plus grands peuvent ne pas fonctionner; un vaisseau spatial peut rebondir ou dériver. Les solutions comprennent des ancres de type harpon, des vis à glace et des atterrisseurs souples avec propulseurs actifs pour maintenir le contact.

Température extrême et contrôle thermique

Les corps riches en volatiles peuvent être aussi froids que –200°C (73 K) dans les régions ombragées ou à de grandes distances héliocentriques. En même temps, certaines comètes subissent un réchauffement rapide à l'approche du Soleil. Les sous-systèmes de contrôle thermique doivent protéger les appareils électroniques et instruments sensibles, tout en préservant la teneur volatile des échantillons recueillis. L'isolation multicouches, les appareils de chauffage radio-isotopes (RHU) et les matériaux de changement de phase sont courants.

Contamination et protection planétaire

Les échantillons volatils sont extrêmement sensibles à la contamination par l'exutoire des engins spatiaux, les spores microbiennes ou les produits chimiques résiduels. Les protocoles de protection planétaires s'appliquent, en particulier pour les corps susceptibles de contenir des signes de vie passée ou présente, tels qu'Encelade ou Europa. Les engins spatiaux sont assemblés dans des salles propres, cuits pour réduire les hydrocarbures et stérilisés si nécessaire.

Technologies d'échantillonnage : Du toucher au forage profond

Le choix de la méthode d'échantillonnage dépend des propriétés de surface du corps et des objectifs scientifiques. La collecte de surface de regolith lâche est relativement simple, mais l'acquisition de glace souterraine ou de matériaux riches en matières organiques nécessite des outils plus envahissants.

Échantillonnage de surface avec scoops et bras

Pour les corps à surfaces poussiéreuses ou granuleuses, les scoops robotiques et les pinceurs peuvent recueillir directement du matériel.L'engin spatial Stardust a utilisé un collecteur d'aérogel à palettes pour piéger la poussière de comètes pendant une période de vol à 6,1 km/s. Bien qu'efficace pour les particules minuscules, ces méthodes sont moins adaptées pour recueillir des glaces volatiles sans décomposition.

Forages et corsons pour l'accès souterrain

Des forages, des carottages ou des augures cryogéniques sont nécessaires pour pénétrer les croûtes de glace.L'atterrisseurPhilae a porté un foret conçu pour extraire les carottes de la surface de la comète jusqu'à 23 cm de profondeur, mais il n'a pas fonctionné en raison de contraintes de puissance. Des études ultérieures ont proposé des forets chauffés ou des carottages rotatifs pouvant fonctionner dans un vide ultra froid.Les missions prévues Retour d'échantillons de surface de la comète prévoient des forages avec chauffage actif pour fondre les croûtes glacées tout en recueillant simultanément l'eau de fonte et les solides.

Échantillonnage volatile tactile et rapide

Une approche prometteuse pour les corps riches en volatiles est l'échantillonnage par contact et par aller-retour (TAG) combiné à la collecte cryogénique. L'engin spatial approche de la surface, étend un corne ou un bras d'échantillonnage, et tire un projectile ou utilise un système pneumatique pour capturer le matériau en un contact court qui ne dure que quelques secondes. Cela minimise les perturbations thermiques et réduit le risque de contamination de l'engin spatial. JAXA , Hayabusa2 a utilisé une variation pour l'astéroïde Ryugu, et des principes similaires sont en cours d'adaptation pour les comètes dans le concept de mission de retour d'échantillons d'exploration d'astrobiologie (CAESAR).

Préservation et retour des échantillons

Une fois recueillis, les échantillons riches en volatiles doivent rester froids et scellés jusqu'à ce qu'ils atteignent les laboratoires terrestres. Même une brève exposition à la chaleur des engins spatiaux ou à l'atmosphère terrestre causerait une sublimation, un changement chimique ou une contamination.

Contenants cryogéniques

Des conteneurs de retour d'échantillons spécialisés sont en cours de développement pour maintenir des températures inférieures à –180°C à l'aide de cryocoolers passifs, de boucliers refroidis par vapeur ou même de petits cryocoolers actifs. Un concept utilise un cryo-vial dans un boîtier sous vide qui peut être détaché de l'engin spatial et placé à l'intérieur d'une capsule de rentrée terrestre.

Contrôle de la contamination dans la gélule

Après la rentrée de la capsule, elle est rapidement transférée dans une salle propre avec des boîtes à gants cryogéniques. La capsule Return d'échantillons de poussière d'amidon a démontré que la poussière cométaire était scellée avec succès, bien que le collecteur d'aérogel n'ait pas été conçu pour les glaces volatiles. Les missions futures pour les corps riches en volatiles utiliseront des joints métalliques et des conteneurs à double paroi avec disques d'éclatement pour évacuer toute accumulation de pression à partir de gaz résiduel sans compromettre l'intégrité de l'échantillon.

Analyse in situ en complément

Comme le retour des échantillons est coûteux et techniquement exigeant, de nombreuses missions comprennent également des spectromètres de masse, des chromatographes en phase gazeuse et d'autres instruments pour analyser les volatiles in situ.Cela fournit des données immédiates et aide à valider les procédures de collecte des échantillons. L'instrument de l'orbiteur de Rosetta ROSINA a mesuré directement la composition volatile de la comète, tandis que les instruments Philae Lander , Ptolémée et COSAC, ont effectué des analyses de gaz.

Orientations futures dans la collecte d'échantillons de volatile-rich

Plusieurs missions à venir visent à appliquer et à faire progresser ces principes techniques.

Intercepteur de comète

L'Intercepteur de comètes ESA (lancement ciblé en 2029) visitera une comète dynamiquement nouvelle provenant du nuage Oort. Il déploiera deux sous-engins spatiaux pour survoler la comète et recueillir des échantillons de poussière et de gaz à l'aide de capteurs basés sur l'impact. Bien qu'il ne retourne pas d'échantillons sur Terre, il testera des techniques de collecte et de conservation rapides de l'échantillon en fonction du retour futur.

Échantillonnage d'Encelade et d'Europa Plume

La lune de Saturne Enceladus éjecte la vapeur d'eau et les particules organiques à travers des panaches cryovolcaniques. NASA , Enceladus Orbilander concept propose d'orbiter la lune et d'atterrir pour recueillir du panache. Une telle mission nécessiterait une manipulation d'échantillons extrêmement sensible pour capturer des organiques volatils et des acides aminés sans les geler ni les sublimer.

Sous-Ice Accès aux océans

Bien que bien au-delà des capacités actuelles, la recherche sur les forages à chaud, les sondes de fusion à propulsion nucléaire et la récupération autonome d'échantillons se poursuivent. Les leçons tirées de la collecte d'échantillons de comètes seront directement à l'origine de ces ambitieux efforts.

Conclusion

L'ingénierie spatiale pour la collecte d'échantillons sur des corps riches en matières volatiles est un jeu complexe de science thermique, de conception mécanique, de contrôle de la contamination et d'architecture de mission. Chaque mission, de Stardust et Rosetta au retour futur d'échantillons Comet Interceptor et Encelade, repousse les limites de ce qui est possible. Les échantillons qu'ils récupèrent ne sont pas seulement des roches et de la glace; ce sont des capsules temporelles depuis l'aube du système solaire.