202 - Contributions du Canada en sciences et génie pour l’exploration spatiale

En 2019, la NASA a dévoilé le programme Artémis, dont l'objectif est le retour d'êtres humains sur la Lune. La région ciblée pourrait apporter des réponses cruciales en matière de minéralogie. Avant l'envoi prévu d'astronautes, la NASA prévoit d'effectuer plusieurs missions robotisées afin de préparer le terrain. 

À ce jour, notre compréhension de la minéralogie dans cette région demeure limitée à une échelle locale. Bien que les minéraux étudiés dans cette étude (ilménite, hématite, spinelle) aient pu être identifiés en orbite ou dans les échantillons des missions Apollo, une analyse précise de leur répartition demeure un défi. Ces minéraux renseignent sur la lithologie en plus d’être une source d’oxygène pour les activités anthropiques sur la Lune.  

En prévision des prochaines missions robotisées, nous souhaitons caractériser les propriétés spectroscopiques de ces minéraux. Cela permettra une identification plus précise dans les données recueillies par ces missions. Dans ce cadre, nous mesurons les spectres des minéraux en laboratoire en reproduisant les conditions d'acquisition des robots. Simultanément, nous modélisons les spectres de minéraux en utilisant un modèle de transfert radiatif. Ces spectres modélisés, ainsi que les abondances des minéraux associées, sont alors comparés à ceux mesurés en laboratoire afin d’évaluer la précision du modèle.

Peu après la formation de la Lune, des impacts de météorites et des coulées de lave volcanique ont façonné des structures géologiques qui s’étendent sur des centaines de kilomètres. Grâce aux images acquises depuis les satellites, il est possible d’étudier ces structures et leur histoire. Mais que verrions-nous si ces images étaient prises tout près du sol? Certainement pas de dômes, de plaines ou encore de rilles! Sous la loupe des astromobiles, nous verrons plutôt les grains de régolithe, cette épaisse couche de fine poussière qui couvre l’entièreté de la surface lunaire. Sur notre satellite naturel, le relief à l’échelle microscopique raconte sa propre histoire : celle du bombardement de micrométéorites, de l’exposition aux vents solaires, mais aussi des forces électrostatiques en place dans une région donnée. Pour mieux comprendre ces processus et leur implication dans l’histoire géologique lunaire, il faut d’abord étudier la topographie à l’échelle microscopique. Des méthodes de photogrammétrie sont actuellement développées pour produire des modèles en trois dimensions de la surface lunaire à partir d’images acquises par des astromobiles. Ces modèles numériques d’élévation serviront à caractériser la rugosité de la surface, une mesure statistique de la topographie. La mesure de la rugosité permettra de détecter des changements de relief et de mieux investiguer le passé géologique des formations visitées par de futures missions robotisées.

Dans le cadre d’une initiative interuniversitaire canadienne, l'Agence spatiale canadienne étudie la viabilité d'un mini-rover lunaire construit à partir de panneaux structurels en Polyétheréthercétone (PEEK) afin de survivre à une nuit lunaire. Nommé PEEKbot, cet astromobile requiert un système d’antenne planaire à haut gain en bande X permettant de communiquer directement avec une station terrestre. Peu d'antennes existantes sont adaptées à une telle application en raison des contraintes de volume, de masse et de puissance de cet astromobile. Les antennes omnidirectionnelles offrent un gain très faible, tandis que les antennes à réflecteurs sont trop encombrantes. Un prototype d’antenne réseau microruban a donc été conçu et fabriqué par une équipe d’étudiants en génie physique à Polytechnique Montréal. Avec une fréquence centrale située entre 8.4-8.5 GHz et un gain d’au moins 12 dBi, cette antenne multicouches de 8x8 éléments possède une épaisseur de 3 mm et mesure 6 po x 6 po. Les choix de conception de cette antenne seront d’abord présentés en détail, suivis des procédés de fabrication et d’assemblage. Enfin, les résultats de caractérisation en chambre anéchoïque seront discutés et comparés aux résultats obtenus par simulation numérique, suivis des résultats d’intégration avec les autres sous-systèmes du rover lunaire.

Considérés comme l’innovation et la contribution canadienne la plus importante dans le domaine spatial, totalisant plus de 42 années de service, le Canadarm et le Canadarm2 se sont taillés une place sur la scène technologique canadienne et internationale. Alors que le développement de la nouvelle génération de ce système se poursuit avec le Canadarm3 sur la future station spatiale lunaire Gateway, un retour sur l’évolution de cette technologie robotique couvrant différents programmes spatiaux s’impose. L’étude présentera une comparaison des spécifications techniques des différentes générations du Canadarm, mettant en évidence les avancées technologiques du point vue de l’ingénierie et des opérations. Les retombées des Canadarms seront ensuite discutées, aussi bien dans le domaine spatial, incluant l’utilisation sécuritaire et durable de l’espace et la commercialisation de l’industrie spatiale, que dans d’autres sphères de la société sur Terre, telle que les technologies médicales et les systèmes robotiques utilisés dans les centrales nucléaires. En anticipant le futur, la présentation envisagera le rôle crucial que jouera le Canadarm3 dans l'expansion de l'exploration spatiale vers la Lune, Mars et au-delà. Cette perspective soulignera l'importance continue de l'innovation et de la collaboration internationale, affirmant le rôle du Canada comme chef de file dans la technologie robotique spatiale.

La conception de structures pour l’environnement lunaire pose un défi en raison des grands écarts de températures.  La jonction de matériaux différents devient problématique, l'expansion thermique dissimilaire créant des contraintes dans la structure. Les structures faites en composites thermoplastiques permettent de souder les pièces ensemble.  Il n'y a plus de problème de dissimilarité entre différents matériaux ou adhésifs, ce qui allège beaucoup les contraintes thermiques. 

Ce projet se concentre sur les panneaux sandwich ayant un coeur en nid d'abeille imprimé 3D en PEEK avec 20% de fibres de carbone courtes et des peaux stratifiées en carbone/PEEK. Pour concevoir efficacement ces panneaux, il est indispensable de connaître leur comportement mécanique et de pouvoir le prédire.

Le projet a comme objectif de caractériser le comportement mécanique du coeur et des panneaux sandwich par des essais mécaniques et de développer un modèle éléments finis permettant de prédire le comportement mécanique observé. Dans un premier temps, le comportement en compression hors plan de simples colonnes à paroi mince a été étudié.  La rigidité en compression hors plan des colonnes est 15% plus faible expérimentalement que numériquement. La charge critique de flambement est 2,15 fois inférieure à celle prédite par une analyse éléments finis post flambement. Ces différences montrent la difficulté de bien capturer dans les modèles  les imperfections induites lors de la fabrication. 

L'astromobile PEEKbot est un projet de recherche supervisé par l'ASC, axé sur le développement d'une nouvelle génération d'astromobiles canadiens en composites, plus légers que leurs prédécesseurs et alimentés exclusivement par des panneaux solaires. L'équipe du Système de Conduite et de Navigation Autonome (SCNA) de Polytechnique Montréal oeuvre à l'achèvement du projet de conduite de l'astromobile et à l'intégration de différentes composantes. Initié en 2018, le projet PEEKbot devrait se conclure au printemps 2024. L'équipe se concentre sur la conception d'un démonstrateur technologique capable de naviguer de manière autonome sur la surface lunaire, en détectant les pentes et les obstacles à l'aide d'une caméra stéréoscopique pour s'y adapter. Un système d'extraction est également prévu en cas d'enlisement d'une roue dans le régolithe lunaire ou de blocage sur un obstacle. L'utilisateur peut visualiser l'environnement du PEEKbot et le contrôler via une interface graphique intégrant ces fonctionnalités. Le projet innove dans l'architecture électrique et logicielle, combinant le contrôle et
l'asservissement semi-autonome du rover à la reconstruction numérique de la surface de l'environnement. Cette approche permet au PEEKbot d'accomplir sa mission en terrain inhospitalier malgré les délais de communication. Les compétences développées dans la conception d'astromobiles (semi) autonomes peuvent être exploitées pour des missions futures, qu'elles soient lunaires ou martiennes.

L’étude de milieux analogues sur Terre est primordiale pour la réalisation des missions d’exploration spatiale. Les chapeaux de fer sont des formations géologiques clés pour l’étude de la surface martienne en raison de leurs processus de formation et de leur minéralogie uniques, ainsi que de leur potentiel à conserver d’anciennes traces de vie. L’objectif de ce projet est de bonifier les connaissances sur la géologie et la télédétection des chapeaux de fer de l’Arctique canadien afin d’évaluer leur potentiel de détection par images satellitaires. Des échantillons ont été collectés sur l’île Axel Heiberg au Nunavut. Leur composition minéralogique et géochimique a été analysée en laboratoire, en parallèle à la mesure de leur réflectance VNIR-SWIR, pour créer une librairie spectrale représentative des chapeaux de fer visités. Celle-ci a été utilisée avec plusieurs algorithmes de détection de cibles sur des images satellitaires WorldView et PRISMA. L’algorithme Spectral Feature Fitting a donné les meilleurs résultats, détectant des chapeaux de fer étudiés pendant la campagne terrain et d’autres non visités. Alors que l’une des priorités de la communauté scientifique est de documenter l'histoire géologique et les processus ayant façonné la surface des corps planétaires, ce projet représente une analyse multiéchelle d’analogues martiens, de l’affleurement au laboratoire aux capteurs orbitaux.

Afin de confirmer ou d’infirmer la présence de vie passée sur Mars, le retour d’échantillons sur terre dans les prochaines années sera particulièrement utile. Cependant, comme la quantité de matériel retournée est limitée, il est essentiel de prioriser les échantillons à récolter afin d’optimiser les chances d’y retrouver des traces de vie.

Comme la terre représente le seul endroit ayant porté des traces de vie que nous connaissons, l’étude des biosignatures dans les milieux analogues y est essentielle afin de comprendre comment elles sont créées et préservées. Pour cette raison, des efforts sont mis en place pour étudier les chapeaux de fer de l’Arctique canadien, la partie oxydée d'un dépôt de sulfure massif. Si elles étaient présentes sur Mars, ces formations géologiques seraient des endroits clés pour la recherche de biosignatures.

Les protocoles utilisés pour identifier les biosignatures dans les milieux riches en fer, tels que les chapeaux de fer, comprennent généralement des manipulations en laboratoire qui ne peuvent pas être effectuées sur le terrain. L’objectif principal de ce projet est donc de déterminer le potentiel d’instruments de spectroscopie portatifs pour détecter les biosignatures et caractériser la composition minéralogique des échantillons de chapeaux de fer de l’Arctique canadien.

Avec la mise en orbite du nouvel observatoire spatial rayons-X XRISM et la participation du Canada dans ses futures observations, des contributions importantes sont attendues dans le domaine de la spectroscopie rayons-X associées au amas de galaxies. Afin de préparer l’arrivée de ces observations, nous présenterons l’analyse de données spectroscopiques optiques de l’instrument canadien SITELLE installé au télescope Canada-France-Hawaï. Ciblant la galaxie centrale de l’amas de Persée, NGC 1275, connue pour sa flamboyante nébuleuse filamentaire extrêmement étendue, SITELLE fournit une résolution spectrale élevée (R = 7000) ainsi qu’un champ de vue extrêmement étendue capable de capturer l’entièreté des filaments de gaz ionisé. Ces observations démontrent la présence d’une structure centrale brillante et turbulente associée à des nuages de gaz moléculaire froids. Les filaments éloignés présentent quant à eux une turbulence beaucoup plus faible mais comparable aux observations du gaz ionisé environnant visible dans le domaine des rayons-X. Dans un milieu hautement multiphasique, une compréhension globale de la dynamique et des propriétés du gaz ionisé présent au sein des amas de galaxies est nécessaire afin d’établir le rôle joué par la galaxie centrale de l’amas et son trou noir supermassif dans le réchauffement du milieu environnant qui sera observé par XRISM.  

Les futures missions d’exploration planétaire auront un besoin d’autonomie accru afin d’augmenter la qualité de leur retour scientifique et commercial. Dans cette optique, NGC Aérospatiale développe activement des technologies autonomes de guidage, navigation et commande critiques pour les futures missions d'exploration planétaire.

NGC développe tout d’abord des technologies permettant un atterrissage précis et sécuritaire sur des corps célestes tel que la Lune et Mars. Ces technologies incluent des systèmes de navigation optique, permettant au véhicule de se localiser en temps réel par rapport aux coordonnées géographiques de la planète et ainsi d’atteindre le site d’atterrissage désiré avec une haute précision. Ces technologies incluent aussi un système de détection et d’évitement d'obstacles, permettant de détecter la présence de rochers, de pentes ou de zones d’ombre au sol qui constitueraient un danger pour le véhicule au moment de l’atterrissage.

Depuis 2012, l’astromobile Curiosity arpente les flancs du Mont Sharp dans le cratère Gale à la recherche d’indices sur le passé lointain de Mars là où les conditions étaient plus propices à la vie. Curiosity a démontré la présence de roches sédimentaires riches en argiles provenant d’anciens lacs et rivières, et contenant des molécules organiques. Ensemble, ces preuves démontrent que des environnements habitables existaient sur Mars il y plus de 3,5 milliards d’années. Plus récemment, et de l’autre côté de la planète, Perseverance explore le cratère Jezero à la recherche de traces de vie anciennes. En plus de caractériser les environnements in situ, Persévérance a prélevé plus de 20 échantillons dans le but d’un retour éventuel sur Terre. Ces échantillons pourront relever d’avantage les détails de l’histoire ancienne sur Mars, permettre la datation radiométrique des roches et peut-être mener à la découverte de biosignatures anciennes. Cette présentation résumera les faits saillants de ces deux missions exceptionnelles et jettera un regard sur les découvertes possibles à venir sur la planète rouge.

Les sites analogues terrestres sont des endroits sur Terre qui sont représentatifs des conditions géologiques, environnementales et/ou biologiques d'un corps planétaire particulier.  La sélection d'un site terrestre adapté aux missions analogues dépend de plusieurs facteurs tels que la géographie et la géologie locales de la région, ainsi que d'autres caractéristiques qui doivent être compatibles avec les objectifs scientifiques et opérationnels de la mission proposée. Plusieurs questions clés doivent être abordées au cours du processus de sélection du site:  Le site analogue est-il adapté à des missions de courte, moyenne ou longue durée? Les exigences des missions de référence de la NASA et/ou des missions d’exploration planifiées par d’autres organisations peuvent-elles être testées? Le site est-il accessible et habitable pendant plusieurs mois de l'année, ou se trouve-t-il dans une région où les conditions environnementales difficiles augmenteraient les risques et les coûts associés à la mission? Nous décrivons des exemples de missions analogues en terrain volcanique en nous concentrant sur le contexte géologique, la nature multidisciplinaire des recherches scientifiques proposées et le degré d'infrastructure disponible.  Nous concluons que cet environnement convient à un large éventail de missions analogues ayant pour but de contribuer aux missions d’exploration sur la Lune et sur Mars.

La mission OSIRIS-REx (Origin, Spectral Identification, Ressource Identification, Security – Regolith Explorer) de la NASA a visité l’astéroïde Bennu et en a ramené un échantillon. Bennu a été choisi pour son emplacement, sa taille et sa composition.  En effet, l’analyse de l’astéroïde riche en carbone pourrait aider à répondre à de grandes questions comme le commencement de la vie sur Terre et la composition du système solaire.  L’Agence spatiale canadienne a fourni un altimètre laser (l’instrument OLA – Altimètre laser d’OSIRIS-REx) qui a permis de créer un modèle tridimensionnel de l’astéroïde. L’instrument a mesuré jusqu’à trois milliards de points alors que la sonde était en orbite autour de l’astéroïde. Ces données ont permis de définir la forme de Bennu, de comprendre la répartition des blocs rocheux et de reconnaitre des cratères à sa surface, données qui ont été essentielles à l’identification du point de collecte pour l’échantillonnage de l’astéroïde.  L’échantillon collecté le 20 octobre 2020 est arrivé sur Terre le 24 septembre 2023. En échange de sa contribution à la mission, le Canada recevra 4% par masse de l’échantillon faisant du Canada le 5^e pays à conserver un échantillon directement collecté dans l’espace. Pendant que les scientifiques débutent l’analyse de l’échantillon de Bennu sur Terre, la sonde se dirige vers un autre astéroïde, Apophis, pour éventuellement en faire la caractérisation.

Le télescope spatial James Webb (JWST) éblouit le monde entier par ses images et ses découvertes étonnantes depuis le début de sa mission scientifique en 2022. Son regard infrarouge sur l’Univers nous a déjà permis de voir le cosmos comme jamais auparavant. Fruit d'une collaboration internationale entre la NASA, l'Agence spatiale européenne et l'Agence spatiale canadienne, le JWST est le plus grand télescope jamais envoyé dans l'espace. En échange de la contribution du Canada à la mission du double instrument FGS/NIRISS, nos astronomes bénéficient d'un temps d'observation substantiel qui a déjà permis d'obtenir de nombreux résultats scientifiques excitants. De l'observation détaillée des exoplanètes et de leurs atmosphères à la cartographie de la formation des étoiles dans des galaxies spirales, en passant par l'étude de la poussière qui tapisse notre Galaxie et qui est à l'origine de la création de systèmes solaires comme le nôtre, ce résumé de ce que les astronomes canadiens ont déjà accompli avec Webb n'est qu'un avant-goût de ce qui nous attend.

Aménagé sur une ancienne base aérienne militaire, le Musée de l’aviation et de l’espace du Canada s’intéresse particulièrement à l’histoire de l’aviation au Canada dans un contexte international — depuis ses débuts en 1909 jusqu’à nos jours. Au fur et à mesure que la contribution du Canada à l’aviation a évolué pour embrasser la technologie aérospatiale, le Musée a élargi sa mission et enrichi sa collection pour englober la navigation spatiale. Cette collection comprend plus de 130 aéronefs et artefacts (hélices, moteurs) civils et militaires. Elle met particulièrement — mais pas exclusivement — l’accent sur les réalisations canadiennes. Parmi les pièces de résistance du Musée figurent les plus grands éléments existants du célèbre Avro Arrow (son nez et ses deux bouts d’aile), le Canadarm d’origine de la navette spatiale Endeavour, l’exposition Vivre en orbite : la station spatiale internationale et l'exposition La santé dans l'espace.