L'instrument Micro-ARES à bord de la mission ExoMars 2016 décollera lundi 14 mars à 10h30 (heure française) de Baïknour (Kazakhstan) et entamera sa croisière vers Mars jusqu’au mois d'octobre de cette année. Ensuite, le module d’atterrissage Schiaparelli se séparera du corps principal de la mission (TGO) qui, lui, restera en orbite et viendra se poser près de l’équateur. L’instrument Micro-ARES entamera alors sa collecte de données depuis la surface de Mars et ce pour une durée de 2 à 3 jours.

Informations pratiques :

Date : Lundi 14 mars 2016 à 10h30

Le LATMOS est responsable de la conception et de la fabrication du seul instrument français de l’Entry descent and landing Demonstrator Module (EDM, aussi appelé Schiaparelli) du volet 2016 de la mission ESA / ExoMars.

Le capteur Micro-ARES fait partie de la suite instrumentale « DREAMS » qui constitue la charge utile scientifique de Schiaparelli. DREAMS est à l’origine une initiative italienne en réponse à un appel à opportunités émis par l’ESA pour équiper en charge utile l’atterrisseur européen de la mission ExoMars 2016. Grâce à ses faibles besoins en ressources (faible masse, seulement 200 g ! et une puissance de 0.3 W encore plus faible qu’une ampoule LED !), Micro-ARES, un instrument destiné à la première caractérisation de l’électricité atmosphérique martienne, a retrouvé une seconde vie après une première tentative avortée sur ExoMars en 2009 (projet Humboldt de l’ESA abandonné) et a pu s’associer à DREAMS dont la sélection a été annoncée au mois de mai 2011.

Micro-ARES est un instrument qui permettra de défricher un champ scientifique resté vierge, à savoir l'activité électrostatique atmosphérique de Mars dont on suspecte le rôle dans les processus de soulèvement de la poussière et dans la formation d'oxydants (avec un lien exobiologique potentiel). Les résultats attendus, même sur une mission courte (2 à 3 jours d’opération seulement), sont potentiellement novateurs et l'intérêt que la communauté internationale porte à ce thème n'a été que croissant au cours de la dernière décennie.

La Science de Micro-ARES
L’activité électrique de Mars n’a jamais été contrainte d’un point de vue observationnel, mais l’intérêt que lui accorde la communauté s’est accru de manière spectaculaire au cours de dix dernières années. Nombre d’études théoriques et réalisées en laboratoire indiquent que des champs électriques élevés, supérieurs au milliers de Volts par mètre, devraient prendre naissance dans l’atmosphère de Mars par échanges d’électrons consécutifs aux impacts entre les grains de poussière. Ceci se produit typiquement à l’intérieur des tourbillons, « dust devils » (les diables de poussière), et des grands panaches de poussière observés lors des tempêtes. Le processus d’échange de charges entre particules est un phénomène constaté expérimentalement mais dont le fondement physique reste mal compris: il semble que le frottement de particules au comportement diélectrique (isolant) induit un transfert net d’électrons des particules les plus grosses vers les plus petites.

Photo d’un tourbillon de poussière prise à la surface de Mars et montrant le panache de fumée caractéristique des évènements de soulèvement de la poussière depuis le sol martien. Crédit : Nasa

Les grains de poussière dans l’atmosphère martienne se présentant sur une distribution de dimensions assez étendue (la taille typique d’une poussière se situe autour du millième de millimètre), cette variété de tailles est susceptible de se convertir en une différence de charges entre les plus petites et les plus grosses poussières et dont l’amplitude dépendra de la composition minérale des poussières. Pour Mars, la présence de silicates et/ou d’oxydes de fer est propice à l’accumulation de charges. Comme sur Terre dans les systèmes orageux, la genèse de champs électriques repose essentiellement sur deux phénomènes agissant en symbiose : la gravitation et la convection. Toutes deux concourent à une séparation le long de la verticale des particules selon leur taille et donc selon leur charge. Se faisant, un champ électrique se crée entre la partie supérieure et la partie inférieure du panache de poussière.

L’existence de champs électriques intenses joue un rôle probable dans le cycle des poussières et la physico-chimie de l’atmosphère martienne. Il a été démontré expérimentalement que des champs électriques (> 10.000 V/m) pouvaient à eux seuls soulever des grains de poussière (Kok and Renno, 2006 ; 2009). Pour Mars, cette problématique touche un aspect fondamental du climat, car les processus de soulèvement de la poussière sont mal contraints alors que la poussière est elle-même l’agent atmosphérique au plus fort impact sur le climat de Mars. La poussière possède en effet dans sa composition une fraction de ferrite qui lui permet d’absorber le rayonnement solaire aux longueurs d’onde bleues, restituant l’énergie absorbée sous forme de chaleur déposée dans l’atmosphère jusqu’à très haute altitude (au-dessus de 40 km). Par ailleurs, les champs électriques devraient favoriser en théorie la production d’oxydants : en présence de champs élevés, la vitesse des électrons libres présents dans l’atmosphère s’accroît au point que leur énergie cinétique devient suffisante pour dissocier les molécules CO2 et de H2O, initiant ainsi la production de composés hydroxyles très oxydants. Cet effet a été invoqué récemment pour expliquer la disparition brutale du méthane sur Mars.

(à gauche) Illustration d’une séparation de charges produisant un champ électrique intense au sein d’un tourbillon de poussière dans l’Arizona. Les petites particules, chargées négativement, sont lévitées plus haut que les grosses, créant de fait un gradient vertical de potentiel électrique qui a pu être mesuré (à droite) Il en résulte une variation mesurable du champ électrique de plusieurs milliers de Volts par mètre. D’après Farrell et al. (JGR, 2006).

Enfin, la fine atmosphère de CO2 ne constitue pas un isolant gazeux aussi efficace que celui constitué par l’atmosphère terrestre. De fait, des valeurs de champs électriques 100 fois plus faibles (~25.000 V/m vs. 2.000.000 V/m) que sur Terre devraient permettre à des décharges électriques de se produire dans l’atmosphère (sous forme de filaments ou de petits éclairs) grâce aux poussières.
Dans le domaine de fréquences radio-électrique, on s’attend à observer un bruit associé à ces décharges mais aussi des émissions radios produites par des processus d’interactions entre le vent solaire (contenant des particules chargées) et l’environnement lointain de la planète.
On s’attend de plus à observer des modes de résonance globale (dites de Schumann) de la cavité Mars-Ionosphère dont l’excitation pourrait être assurée par l’existence d’éclairs comme c’est le cas sur Terre. Ce type d’activité, malgré de nombreuses tentatives, n’a jamais été recensé à ce jour sur Mars. Sa découverte avec Micro-ARES aurait de profonds retentissements sur notre compréhension du système électrique prévalant sur Mars. Comme cette résonance se propage sur toute la planète, l’apparition d’éclairs en un endroit de la planète pourrait être détectée avec Micro-ARES quelque soit sa localisation !

Le concept technique de Micro-ARES
L’objectif de l’expérience Micro-ARES est d’étudier l’électricité atmosphérique sur Mars en mesurant:

• la conductivité électrique de l’atmosphère (en lien avec la présence d’ions positifs et négatifs)
• la composante verticale du champ électrique qui témoigne des processus d’électrification
• la composante verticale du champ électrique des ondes de faible amplitude qui rendent compte de « bruits » électrostatiques

Pour des raisons de symétrie, les champs électriques atmosphériques se mesurent habituellement avec un système de deux électrodes identiques placées aux extrémités d’un bras et chacune portée au potentiel électrique local. Pour simplifier l’instrument et réduire au maximum sa masse, une seule électrode a été prévue sur Micro-ARES, grâce à un montage fixe constitué d’une électrode sphérique fixée à l’extrémité d’un support conique d’une hauteur de 27 cm. La mesure est réalisée par une carte électronique bâtie autour d’un préamplificateur à forte impédance d’entrée couplé à un Processeur de Signal Numérique (dont l’acronyme anglais est DSP) pour le traitement en temps réel des données collectées. Cette technique a été validée sur de nombreux vol ballon par le passé et a été adaptée à une application martienne.

Le principe consiste donc à mesurer le potentiel électrostatique de l’électrode qui, dans le milieu, se porte au potentiel local, à la seule condition que le courant de fuite du préamplificateur soit négligeable (ce qui dépend grandement de sa qualité) et que son résistance interne dépasse de plusieurs ordres de grandeur celle de la gaine résistive qui se forme naturellement autour de la sphère dans l’atmosphère.

Une photo de Micro-ARES au grand complet (antenne et carte. Photo prise par l’équipe Micro-ARES du LATMOS en salle blanche de la PIT de l'OVSQ.

A l'origine, le capteur a été développé sous la forme d'une sonde double avec deux électrodes cylindriques placées aux extrémités d’une antenne météorologique. Les contraintes de masse auxquelles était confrontée la suite instrumentale DREAMS nous ont conduit à utiliser pour Micro-ARES une configuration avec une seule électrode sphérique située à 27 cm au-dessus de la surface externe de l'atterrisseur. La composante verticale des champs électriques dans l'atmosphère est ainsi obtenue à partir de la différence de potentiel mesurée, qu’elle soit positive ou négative selon la polarité du champ électrique atmosphérique, entre la sonde et la surface de l'atterrisseur pris comme référence.

Micro-ARES permettra de mesurer le potentiel de l'électrode par rapport à la masse de l'atterrisseur avec une précision de ±1,5 mV dans une gamme comprise entre -100 et +100 V. Dans un mode dit de « haute tension » dont l’activation est gérée entièrement par l’intelligence de bord, l’instrument peut alors mesurer des champs allant jusqu’à 30.000 V/m. Ces modes s’accompagnent de deux limitations : (1) une multiplication par 3 de la consommation de l’instrument, (2) l’impossibilité pour l’électrode de se maintenir au potentiel local, entrainant de fait des courants de gaine évacués dans un circuit résistif dédié.

Les mesures de Micro-ARES seront enregistrées à une cadence permettant de couvrir une gamme de fréquences allant du continu à 3.2 kHz.

En parallèle, les pulsations de faible amplitude pourront être mesurées dans la gamme 0.003 à 200 mV.
Utilisé en mode dit de « relaxation », l'instrument sera également en mesure de fournir une mesure de la conductivité atmosphérique séparément pour les ions chargés positivement des ions chargés négativement (ainsi que les électrons libres). Ces mesures témoigneront du degré d’ionisation se produisant à la surface de Mars en réaction aux divers rayonnements, en particulier celui de l’UV.

Le passage technique double sonde à sonde unique nécessite une étape de modélisation (réalisée au cours de la phase d'analyse des données) pour éliminer les biais induits par la présence des surfaces perturbatrices environnantes (le vrai champ électrique n’est pas directement celui existant au-dessus de l’atterrisseur car celui ci impose ses propres conditions aux limites) dont on peut estimer l’erreur associée aux alentours des 10%.

La masse totale de Micro-ARES (antenne et carte électronique) est inférieure à 200 g et sa consommation d'énergie moyenne se situe aux alentours de 350 mW. La cadence élevée d’échantillonnage (12.800 échantillons de mesure sont collectées chaque seconde et sont converties sous forme numérique avec une dynamique de 16 bits) induit une production de données de plusieurs Gigabits par jour de collecte malgré les quelques heures seulement de fonctionnement quotidien ! Cependant, Micro-ARES intègre une intelligence de bord (son DSP) lui permettant de filtrer et de sélectionner en temps réel les données acquises pour en préserver la substance scientifique essentielle. Cette sélection en temps réel permettra de produire un inventaire exhaustif des propriétés électriques de l’environnement martien tout en réduisant d’un facteur 100 le volume de données produites et permettant ainsi sa télétransmission vers l’orbiteur TGO puis vers la Terre.