215 - Contribution du Canada et d'ailleurs à l'exploration spatiale

L’origine de la Lune et son évolution sont intrinsèquement liées à l’histoire de la Terre. L’effet de la Lune sur les marées en est un exemple indéniable. Bien qu’étant l’astre le plus près de la Terre, il existe encore de grandes questions sans réponse la concernant. L’hypothèse la plus acceptée pour la formation de la Lune est qu’elle provienne des débris générés par une collision entre une météorite de la taille de Mars et la Terre à ses premiers jours. Bien que cette hypothèse aide à expliquer la ressemblance entre la composition de la Lune et du manteau terrestre, la plupart des modélisations de cet impact montrent plutôt que la majorité du matériel projeté proviendrait de la météorite et non de la Terre. Il y a à peine dix ans, tous s’entendaient pour dire que la Lune ne contenait pas d’eau, ou extrêmement peu. Depuis, avec la découverte de 3 à 9% d’eau mesurée par la mission LCROSS (Colaprete et al., 2010, Science), beaucoup se concentrent sur la recherche de la glace d’eau aux pôles lunaires. Le Canada participe à cet effort avec la mission du rover lunaire qui ira au pôle Sud. Ce dernier sera entre autres équipé d’instruments permettant de détecter des traces de glace d’eau et d’hydrogène. Il est aussi prévu que le Canada envoie un instrument scientifique dans le cadre d’une autre mission lunaire, instrument qui pourra aussi collecter des informations contribuant à répondre aux nombreuses questions scientifiques sur la Lune, sa formation et son évolution.

Les données de télédétection acquises en orbite lunaire depuis plusieurs décennies permettent d’étudier la surface dans son intégralité. L’analyse de ces données a, entre autres, permis de mieux comprendre le processus de formation et d’évolution des planètes et du système solaire. Elle a également généré plusieurs autres questions scientifiques qui devront être étudiées à une échelle spatiale plus fine. Ainsi, au cours des prochaines années, de nombreuses missions robotisées et humaines fouleront la surface lunaire pour tenter de répondre à des questions scientifiques, tester des nouvelles technologies et évaluer les ressources potentielles qui pourraient permettre de soutenir une présence humaine à long terme sur la Lune. Plusieurs de ces missions seront déployées près du pôle Sud, d’autres seront déployées à différents endroits d’intérêt scientifique dans la région équatoriale.  La Chaire de Recherche du Canada en télédétection de la géologie nordique et spatiale a été établie à l’Université de Sherbrooke en 2019 dans le but, entre autres, d’aider à préparer ces différentes missions. Pour ce faire, les données de télédétection actuellement disponibles sont utilisées pour cartographier les minéraux, la glace et les propriétés du sol dans les régions polaires ainsi que les sites d’alunissage scientifiquement prometteurs. D’autres projets en cours visent à préparer l’analyse des données qui seront acquises par les astromobiles autour de ces mêmes thèmes. 

En collaboration avec le groupe de travail InSight Near Surface

La mission InSight est une mission géophysique en coopération avec plusieurs agences spatiales (NASA, CNES, DLR), destinée à mieux comprendre la structure de Mars. L’atterrisseur d’InSight a posé sur la surface de la planète, avec son bras robotisé, un sismomètre ultra-sensible (SEIS) et une sonde de pénétration dynamique (HP³) destinée à des mesures thermiques. Les informations obtenues par les instruments, les photos et les essais réalisés avec le bras robotisé, ont permis d’élargir la connaissance géologique et géotechnique du sol martien du site d’InSight. Elles ont été compatibles avec celles estimées sur Terre par des essais de laboratoire sur des analogues de sol martien. Les paramètres élastiques ont été obtenus à partir de mesures de vitesses d’ondes sismiques entre la sonde et le sismomètre, lors des opérations de pénétration dynamique en surface. Des caractéristiques à la rupture ont été obtenues grâce au bras robotisé, en particulier lors des opérations de couverture du cordon reliant le sismomètre à l’atterrisseur. Le profil en surface est composé d’une couche de sable superficiel de 1 cm d’épaisseur recouvrant une couche composée d’une matrice sableuse cohérente et lâche contenant des cailloux, qui n’a rendu la pénétration de la sonde thermique possible que sur les 40 cm de sa longueur. Les mesures thermiques ont montré un sol en surface très peu dense (densité 1,4).

En collaboration avec l’équipe de SEIS-InSight

SEIS, le sismomètre international de la mission InSight NASA, a fonctionné sur Mars entre février 2019 et décembre 2022. Soigneusement installés et protégés, les capteurs à très large bande de SEIS ont atteint un bruit ultra-faible pendant une grande partie des nuits martiennes. Le bruit était plus important pendant la journée, en raison des déformations atmosphériques du sol, mais toujours 10 fois moins élevé que pour les sites terrestres les plus calmes entre 0.1 et 1 Hz. 1319 événements ont été détectés, avec des magnitudes entre 2.5 et 4.7. Pour les 40 plus grands événements, les distances et positions ont été déterminées. 8 impacts ont été confirmés par imagerie orbitale, dont deux avec de très grands cratères. Nous avons pu établir les premiers modèles pour le sous-sol, la croûte, pour la lithosphère thermique et la zone de transition du manteau plus profonde, ainsi que la détermination du rayon du noyau de Mars. Nous présentons également les premières mesures d'anisotropie sismique, tant pour des ondes de volume que de surface, ainsi que celles d'atténuation et de diffusion. Les analyses des plus grands séismes ont permis de déterminer la magnitude, la profondeur et les tenseurs des moments, et pour les impacts, il a été possible de mesurer la répartition de l'énergie entre le sous-sol et l'atmosphère et la durée de l’impact. Nous concluons avec des perspectives pour l'avenir de la sismologie planétaire.

Nous sommes actuellement à l'aube d'une nouvelle révolution technologique : les systèmes autonomes sont de plus en plus présents dans notre vie quotidienne. Des drones aux voitures autonomes, ces systèmes deviennent omniprésents et constituent une technologie essentiel pour de nombreux types d'applications, y compris dans l'espace. L'autonomie accrue, la perception avancée, la communication et les systèmes multi-robots font partie des nouvelles technologies qui permettront l'exploration de Mars et de la Lune. Cette présentation donnera un aperçu de l'état de l'exploration spatiale robotique et des pistes de recherche actuelles, en montrant des exemples et des missions analogues sur le terrain

Depuis près de deux décennies, le Canada, par le biais de l’Agence spatiale canadienne, a mis en place diverses activités de recherche et développement et de préparation de missions de rovers lunaires et planétaires. Ces véhicules de différents formats peuvent supporter un grand nombre de tâches à la surface de la Lune ou d’une planète. Ces investissements dans le domaine de la robotique de surface ont permis d’élargir le portfolio spatial canadien. À la suite de plusieurs études de missions avec ses partenaires internationaux et de l’expertise développée par le biais d’un large éventail de technologies, de démonstrations et d’activités de vérification, l’Agence spatiale internationale et ses partenaires entament les travaux pour sa première mission de rover lunaire. Bien que modeste, le véhicule de 30 kg et de moins de 1 m³ , propulsé par un ensemble de panneaux solaires et batterie, se posera sur la Lune au plus tôt à l’automne 2026. Porté par un lanceur et atterrisseur américain, il sera complètement contrôlé à partir de l’Agence spatiale canadienne. Sa mission sera d’explorer le pôle sud lunaire afin de démontrer la performance d'un éventail de technologies incluant la survie à la nuit lunaire. Plusieurs objectifs scientifiques seront également poursuivis: détecter la présence de glace, prendre des relevés avec ses six instruments scientifiques afin de caractériser la géologie de la Lune et évaluer l’environnement pour de futurs vols habités.

Auteur à contacter : sam.kandaleft@gmail.com

Le rover lunaire PEEKbot est un projet collaboratif encadré par l'Agence spatiale canadienne (ASC) qui explore l'application du poly-éther-éther-kétone (PEEK) comme matériau de base pour un rover lunaire capable de survivre à une nuit lunaire et de résister à des températures entre -180 °C et +120 °C. L'équipe Capstone de l'Université Concordia a conçu les roues du rover afin d’atteindre un poids de 500 g par roue, permettre au rover de monter des pentes de 25° et permettre des manoeuvres telles que des virages serrés et l'escalade d'obstacles. Deux prototypes seront fabriqués en matériaux composites. Un prototype terrestre sera fabriqué en Onyx renforcé et en fibre de carbone tissée YSH 60A avec résine époxy LR335. Un prototype lunaire en résine RS3 et en fibre de carbone unidirectionnelle M55J sera proposé à l’ASC. Afin de valider la conception, la méthode des éléments finis ainsi que des tests dans le simulant de sol lunaire GRC-1 seront effectués. Un premier test sera effectué avec un portique robotique MCS-UC2-XYZ pour obtenir l'enfoncement et les forces latérales. Un test de rover complet sera effectué avec un traqueur laser GRZ101 360° pour évaluer les performances globales sur le sol lunaire.

auteur à contacter (aleksey.kalinin.1@ulaval.ca)

La conception de structures pour l’environnement lunaire pose un défi en raison des grands écarts de températures.  La journée lunaire (14 jours terrestres) voit des températures de +100°C et la nuit lunaire (14 jours aussi) atteint -200°C.  Ces grands écarts rendent la jonction de matériaux différents problématique, ceux-ci se déformant différemment sous l’effet de la température.  L’impression 3D permettrait de palier à ce problème car la pièce est alors constituée d’un seul matériau ou composite, mais obtenir de bonnes propriétés pour ces structures est un défi.  Ces matériaux doivent avoir une résistance mécanique élevée et pouvoir supporter une large plage de température. Un tel matériau d'intérêt est du PEEK renforcé par des fibres courtes de carbone (FC). Cependant, l'introduction de fibres dans le filament rend l’impression plus complexe. Il est crucial de comprendre quels facteurs influencent la fabrication des filament fondu de matériaux composites. Peu de littérature traite de l'impact des paramètres d'impression sur le PEEK renforcé. Cette étude vise à combler cette lacune en étudiant l'impact de la température, de la surextrusion, du diamètre de la buse et de la hauteur de la couche sur la résistance mécanique et la microporosité du PEEK renforcé avec 20% de FC. L'étude apporte des connaissances essentielles pour l'optimisation du procédé de dépôt de filament fondu pour la fabrication de PEEK à haute teneur en FC.

auteur à contacter: fengyang.chen@asc-csa.gc.ca

Le Programme d’accélération de l’exploration lunaire (PAEL) est une initiative financée par l’Agence spatiale canadienne (ASC) pour supporter le développement de technologies canadiennes qui serviront pour le retour sur la Lune. Un rover lunaire sera fabriqué et lancé en 2026 selon un échéancier préliminaire. Comme pour tous les rovers, le rover PAEL a besoin d’un système de planification de trajectoire pour aller d’un point à un autre pour exécuter ses tâches quotidiennes. Cependant, la situation est plus complexe pour ce dernier. Le rover doit naviguer à travers des obstacles physiques reliés à la topographie lunaire, telles des pentes abruptes. Il doit aussi éviter les zones ombrées et les zones d’accès à la Terre qui privent le rover de puissance et de communication respectivement. Cette complexité dépasse les capacités d'un planificateur de trajectoire conventionnel qui retourne la meilleure trajectoire entre deux points. Pour pallier à ce problème, nous proposons un nouvel outil de planification de mission à deux composantes : on utilise tout d’abord un algorithme génétique en deux étapes pour retourner un ordre d’exploration provisoire des zones d’intérêt où le moment précis d’exploration sera estimé. Ensuite, on trouve les trajectoires réalisables entre ces différents points de cheminement en fonction des obstacles statiques et dynamiques de la Lune.

auteure à contacter: eloise.brassard@usherbrooke.ca

Le projet T-MARS (Terrestrial Mineral Analysis by Remote Sensing) vise à étudier les chapeaux de fer en tant qu’analogues à des formations géologiques potentiellement formées sur Mars. Ces chapeaux sont des dépôts de surface de plusieurs mètres de diamètre riches en fer oxydé, ce qui cause leur couleur ocre caractéristique et sont des cibles pour la recherche d’anciennes traces de vie. L’amélioration des méthodes de télédétection pour localiser les chapeaux de fer nécessite l’analyse d’échantillons pour déterminer leurs caractéristiques spectrales et minéralogiques. Une campagne d’acquisition de données a été réalisée en juillet 2022 par l’équipe T-MARS, avec comme objectifs d’acquérir des échantillons géologiques et des données optiques, ainsi que de faire rayonner la recherche en milieu nordique et de développer des capsules éducatives pour les élèves du secondaire. Avant le départ, l’analyse d’images satellites a permis de créer une carte prédictive de la région d’étude et de localiser certains chapeaux de fer.  L’équipe a su user d’ingéniosité afin d’arriver à visiter suffisamment d’affleurements pour atteindre les objectifs scientifiques.  Les résultats de cette étude s’inscrivent dans des études comparatives des chapeaux de fer sur Terre et sur Mars, dans l’optique des futures missions d’exploration spatiales.

auteure à contacter: caroline.champain.1@ens.etsmtl.ca

Sur la Lune, les températures atteignent -200°C pendant la nuit. Un rover doit disposer de ressources énergétiques suffisantes pour assurer la survie de ses composants durant la nuit, en maintenant les températures dans leurs limites d’utilisation. Des analyses préliminaires démontrent qu’un rover fait d’un composite thermoplastique, le poly-éther-éther-kétone (PEEK) renforcé de fibres de carbone (FC), peut survivre à la nuit lunaire. Cependant, des composants tel que des vis peuvent engendrer des pertes de chaleur s’ils sont métalliques. Une analyse thermique détaillée s’avère nécessaire pour assurer la viabilité du rover. Une géométrie simplifiée du CAD est premièrement présentée. Après avoir ajouté les couplages thermiques entre composants et modélisé thermiquement le sol lunaire, une simulation est réalisée en régime permanent. Cette analyse valide le potentiel de l’utilisation du composite comme matériau structurel et procure ainsi une alternative aux charges nucléaires pour les rovers souhaitant survivre à une nuit lunaire et opérer pour une seconde journée lunaire.

auteur à contacter: romain.martin.1@ens.etsmtl.ca

Les techniques de soudage émergent comme des alternatives pour l’assemblage des pièces en matériaux composites à matrice thermoplastique, en remplacement des adhésifs et des attaches mécaniques. En effet, les grandes plages de température observées sur la Lune (100°C/-200°C) compliquent l’utilisation de ces techniques en raison des différences d’expansion thermique entre les composants en composites et les adhésifs ou les inserts métalliques. Cela crée des contraintes internes, compromettant l’intégrité des structures, dont on peut s’affranchir en utilisant des méthodes de soudage. Le soudage par induction se base sur l’application d’un champ magnétique sur la zone de soudure, où un « suscepteur » génère de la chaleur grâce à son interaction avec le champ magnétique. Ce matériau est composé de particules ferromagnétiques dispersées dans un thermoplastique et dissipe de la chaleur grâce aux pertes par hystérèse. Le renfort étant discontinu, moins de contraintes sont créées lors des cycles thermiques par rapport à un élément chauffant continu. Le taux de chauffe d’un suscepteur est mesuré à l’aide d’une caméra thermique. L’augmentation de la concentration en particules induit un taux de chauffe supérieur et une température maximale plus élevée. Les courbes de chauffe expérimentales sont comparées aux courbes théoriques pour valider l’utilisation du modèle servant à prédire la température du suscepteur lors du procédé de soudage.

auteur à contacter: olivier.duchesne@polymtl.ca

L’exploration spatiale nécessite des structures légères et rigides afin de minimiser la quantité de carburant requise aux lancements. Les panneaux sandwich, des structures composées de deux peaux collées de chaque côté d’une âme, sont couramment utilisés puisqu’ils présentent une rigidité en flexion élevée pour une faible masse. Les panneaux sandwich en composites pour applications spatiales possèdent généralement une âme en configuration de nid d’abeille. Toutefois, la fabrication additive utilisant le dépôt de fil en fusion permet d’élargir les possibilités géométriques et la communauté scientifique manque de méthodes d’optimisation de matériaux cellulaires 2D. Ici, nous développons cette nouvelle approche d’optimisation cellulaire basée sur les éléments finis afin de créer des structures d’envergure plus légères et plus rigides.

Itérativement, les cellules en nid d’abeille d’un panneau sandwich sont redistribuées numériquement et un modèle par éléments finis évalue la rigidité des configurations cellulaires. Ces panneaux sandwich sont imprimés et sont testés expérimentalement. La rigidité et la charge ultime sont augmentées tel que prédit par éléments finis. Cette méthode d’optimisation sera donc utilisée sur le châssis d’un rover afin qu’il résiste mieux au lancement et pourra être adaptée à d’autres pièces dont la rigidité et la masse seront critiques.

auteur à contacter: jclamanque@hotmail.com

La surface de la lune est recouverte d'une fine poudre appelée régolithe lunaire. Ces particules adhèrent électrostatiquement aux surfaces des appareils, telles que les radiateurs et les panneaux solaires, dégradant leur performance de façon importante. Dans les études précédentes, différentes méthodes pour repousser le régolithe ont été étudiées, incluant la méthode du circuit «balai électromagnétique». Cette méthode a été testée avec des particules ferromagnétiques, n’exprimant pas le même comportement électrique que le régolithe. Nous voulons charger électrostatiquement le régolithe lunaire pour valider la performance du circuit existant et améliorer notre compréhension du chargement du régolithe. Trois méthodes principales seront utilisées: la première méthode est par exposition à un plasma créé en laboratoire. La deuxième méthode est par effet triboélectrique avec l'utilisation d'un appareil composé de brosses de nylon. La dernière méthode est aussi par effet triboélectrique, avec un générateur de Van de Graaf. Il sera aussi possible de comparer chaque méthode avec les résultats de chargement obtenus. Enfin, avec les données obtenues, nous pouvons intégrer ces données dans une simulation numérique permettant de modéliser adéquatement le comportement du circuit sur la Lune.

auteur à contacter: jerome.pigeon@polymtl.ca

Le but de cet article est de développer une plateforme d'Intelligence Artificielle (IA) utilisant les données de spectroscopie Raman et d'imagerie hyperspectrale pour la détection et la prospection automatisée de matières premières telles que l'ilménite et l'eau glacée sur la lune et les astéroïdes. Un tel système hybride peut être installé sur un rover lunaire et envoyé dans la zone d'étude désirée, et pourrait même être utilisé directement par des astronautes sur la lune. Cela permettrait de produire une cartographie 3D pour la prospection minière des pôles ainsi que des mers/terres (highlands) de la lune. Pour permettre l'apprentissage d'un modèle basé sur la fusion de la spectroscopie Raman (RS) et de l'imagerie hyperspectrale, des architectures neuronales hybrides supervisées à branches multiples, comprenant à la fois des branches récurrentes et convolutives, seront créées. Les données existantes dans la littérature ainsi que les données fournies par JMARS ont été collectées et utilisées pour l'apprentissage du modèle IA.

auteur à contacter: david.lessard@polymtl.ca

L’environnement de la Lune pose un grand défi pour la survie des rovers, en particulier le froid extrême de ses nuits qui s’étire sur plus de 14 jours terrestres. Aucun rover lunaire à batterie n’a réussi à résister à ces conditions puisque leur structure en aluminium est hautement conductrice thermiquement, créant une perte rapide de chaleur. La solution envisagée par le projet PEEKbot est de concevoir une structure de rover par la fabrication additive d’une structure en panneau sandwich composé du thermoplastique PEEK. Elle offre une très grande isolation thermique comparativement à la structure d’aluminium. Des études préliminaires ont confirmé qu’une structure fabriquée de PEEK par impression 3D pourrait permettre au rover de survivre aux nuits lunaires et à l’environnement des vibrations aléatoires du lancement de fusée. Une étude a permis de déterminer les paramètres géométriques clés qui impactent les propriétés thermiques et structurelles du panneau sandwich. Les paramètres considérés sont ceux qui peuvent être contrôlés lors de l’impression 3D : densité des cellules, forme des cellules, épaisseur des parois, épaisseur des peaux et épaisseur du panneau. Les résultats ont été analysés afin de fournir des recommandations pour la conception de la structure finale du rover lunaire en considérant la conduction hors-plan et la résistance aux vibrations aléatoire à partir des données sur l’environnement du lanceur de Falcon 9.