224 - Contributions du Canada en sciences et génie pour l'exploration spatiale

Au cours des prochaines décennies, les êtres humains seront appelés à voyager hors de la magnétosphère terrestre pour des missions prolongées sur la Lune et vers Mars. Ces voyages augmenteront l’exposition aux radiations cosmiques et donc, le potentiel de maladies induites par ces radiations. Les marqueurs d’inflammation corrèlent avec une série de pathologies allant de l’infection aux cancers. Nous développons ainsi un petit instrument portable basé sur la résonance plasmonique de surface et la microfluidique pour mesurer un panel de marqueurs d’inflammation à partir d’une goutte de sang. Ce concept repose sur une cartouche jetable dans laquelle la goutte de sang réagit avec la surface du dispositif et pour laquelle la concentration des marqueurs est révélée par des réactifs insérés dans la cartouche. La présentation démontrera les avancées technologiques réalisées à ce jour et démontrera le potentiel de la technologie pour le suivi de santé des astronautes. 

L'espace est devenu un environnement de plus en plus encombré, avec une quantité croissante de débris spatiaux menaçant les satellites opérationnels et les missions futures. Le recyclage de ces débris est crucial pour la durabilité des activités spatiales. Cette étude explore les défis et opportunités du recyclage des débris spatiaux et propose un modèle de circularité spatiale personnalisé. Prenant comme point de départ les modèles existants, tels que ceux de la Fondation Ellen MacArthur et l'échelle de Lansink, nous les adaptons au contexte spatial. L'étude considère : 1) la caractérisation du problème des débris (types, origines, risques) ; 2) l'analyse des technologies de recyclage (capture, déorbitation, recyclage) ; 3) l'évaluation de l'applicabilité des modèles de circularité existants ; et 4) le développement d'un modèle de circularité spatiale spécifique. Les implications de cette étude résident dans la contribution à une meilleure gestion des débris spatiaux et la promotion d'une économie circulaire dans l'espace, ouvrant la voie à des pratiques spatiales plus durables. Ce modèle pourrait servir de base pour des politiques et des stratégies visant à réduire l'impact environnemental des activités spatiales.

En échange de sa contribution à la mission OSIRIS-REx («Origin, Spectral Identification, Ressource Identification, Security – Regolith Explorer») de la NASA, 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. Afin de préserver cet échantillon, l’Agence spatiale canadienne développe le laboratoire pour le conserver. Il s’agit du premier laboratoire de ce type au Canada. Le laboratoire comprend deux salles blanches, l’une sera dédiée à l’entreposage et à la manipulation des échantillons, l’autre permettra d’effectuer les dernières étapes de nettoyage des outils et des contenants qui entreront en contact avec l’échantillon. La salle blanche d’entreposage et de manipulation sera équipée de dessiccateurs et d’une boîte à gants qui permettront de conserver l’échantillon dans un environnement sous azote très pur afin d’éviter toute dégradation due à l’interaction avec l’atmosphère terrestre. Une fois l’échantillon reçu au Canada, il sera décrit, imagé, pesé et les grains les plus grossiers seront mesurés. Les informations recueillies sur l’échantillon seront mises à la disposition de tous dans un catalogue qui est en développement. Ce catalogue sera la principale source d’information sur la collection canadienne et facilitera les demandes d’échantillons des chercheurs du monde entier. (...)

L’Agence spatiale canadienne (ASC) a confirmé en 2023 sa participation à la mission Ariel, un télescope spatial infrarouge dont le développement est mené par l’Agence spatiale européenne. Cette mission dédiée à l’étude d’un millier d’exoplanètes permettra la caractérisation de l’atmosphère de ces planètes distantes, y compris leur composition chimique et la présence de structures thermiques. Le lancement est planifié pour 2029 avec une durée nominale des opérations de quatre années.

La contribution canadienne consiste en une série de harnais devant opérer à basse températures, ou cryoharnais, servant à l’alimentation électrique, le transfert de données et à la dissipation de chaleur depuis la plateforme satellitaire vers les instruments opérants à des températures cryogéniques. En plus de contribuer au développement d’une nouvelle technologie pour notre industrie, cette contribution canadienne a permis l’intégration de scientifiques canadiens au sein de l’équipe des scientifiques de la mission.

Un aperçu de la mission comme de la technologie seront présentés. Les défis de l’ingénierie à basse température seront abordés de même que le potentiel d’application dans d’autres missions et domaines.

La surface du pôle Sud lunaire est principalement composée de minéraux silicatés, mais des oxydes comme l’ilménite, l’hématite et le spinelle y sont aussi présents en moindre quantité. Ces minéraux sont d’un grand intérêt pour les futures missions d’exploration, notamment celles visant la région du pôle Sud. La mission canadienne Lunar Rover Mission analysera bientôt la composition du régolithe lunaire grâce à des instruments multispectraux. Dans cette étude, nous avons analysé les signatures spectrales de l’ilménite, de l’hématite et du spinelle pour mieux les identifier dans les données réelles. Nous avons utilisé un modèle de transfert radiatif afin d’estimer la quantité de ces minéraux dans des mélanges avec un simulant de régolithe. Nos expériences en laboratoire ont permis d'estimer les seuils de détection de ces minéraux selon différentes configurations angulaires et spectrales similaires à celles des instruments embarqués sur les prochains rovers lunaires. Les résultats montrent que des concentrations de quelques poids pourcent de minéral sont détectables dans un mélange. De plus, près de 1000 spectres de minéraux ont été compilés dans une librairie spectrale de référence. Cette recherche contribue à l’optimisation des méthodes d’analyse minéralogique pour les futures missions d’exploration lunaire.

L'Agence Spatiale Canadienne s’impose une fois de plus comme un leader en innovation spatiale avec son tout nouveau projet pancanadien OASYS. Plus particulièrement, elle a confié à l’équipe de finissants en génie physique de Polytechnique Montréal la conception d’un système autonome d’imagerie capable d’évaluer en temps réel la santé des cultures lunaires durant leur période de croissance. 

Alliant expertise en ingénierie optique, traitement numérique d’images et intelligence artificielle, ce projet illustre l’excellence et l’innovation du Canada en science et en génie appliqués à l’exploration spatiale. 

L’affiche propose une vision synthétique du projet en exposant son mandat, sa méthodologie et ses conclusions. Elle contextualise l’étude et ses objectifs, et illustre le système physique à travers trois images représentant les sous-systèmes essentiels : un système d’imagerie, un système d’illumination ainsi qu’un microprocesseur permettant l’analyse des données. Un graphique détaillant la séquence d’analyse en image est ensuite présenté afin de clarifier les étapes du processus. Enfin, une section est consacrée à la présentation des résultats obtenus ainsi qu’aux améliorations possibles, mettant en lumière les principales observations de l’étude et les pistes d’optimisation envisageables. 

L'origine des bandes interstellaires diffuses (BIDs ou « DIB » en abréviation anglaise), caractéristiques d'absorption dans les spectres stellaires causées par les poussières et les nuages moléculaires interstellaires, laisse les astronomes perplexes depuis plus d'un siècle. Depuis la découverte de Mary Lea Heger de 1919 des premières bandes de BIDs (deux bandes pour être précis), maintenant on en compte plus de 550 bandes dan la région visible du spectre. Seules deux bandes ont été associées à un porteur potentiel avec un degré de confiance élevé, à savoir C₆₀⁺, jusqu'à ce jour. Nos recherches récentes analysant le catalogue DIB de l' « Apache Point Observatory (APO) » ont identifié six nouvelles familles de BIDs avec des largeurs équivalentes (« EWs » ou equivalent widths) fortement corrélées, mettant en lumière leurs porteurs moléculaires potentiels.

En intégrant les données d'observation à la chimie computationnelle, y compris la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TD-DFT), nous proposons que certaines petites molécules organiques ionisées négativement (anions) puissent contribuer aux BIDs à 5780 et 5797 Å (les raies Heger originales de 1919). Le glycolamide, le lactamide et l'acide oxamique sont tous considérés comme pouvant être liés à la famille de la bande de 5780 Å, tandis que la 2-cyclopentène-1-one et la 3(2H)-sélénophénone peuvent présenter des similitudes avec la famille de la bande 5797 Å. (...)

L’hématite nanophasée (< 5-10 nm), l’hématite rouge (~10 nm à ~5 μm) et l’hématite grise (> 10 μm) sont les trois formes d’hématite présentes sur Mars. Cette étude vise à estimer la limite de détection de l’hématite rouge à fines particules (20-50 nm) pour différentes techniques d’analyse utilisées par les instruments martiens en orbite et au sol, soit la spectroscopie visible – proche infrarouge (VIS-PIR), la spectroscopie de Raman et la diffraction des rayons X (DRX). Des échantillons ont été créés en mélangeant du simulant de régolithe planétaire avec de la poudre nanométrique d’hématite afin de représenter l’intervalle d’abondance observé sur Mars, de 0,0 à 15,0 %m d’hématite. La réflectance hyperpectrale VIS-PIR des échantillons a été acquise en laboratoire et des paramètres spectraux ont été calculés afin de caractériser les bandes d’absorption de l’hématite ainsi que la position de celles-ci. Une analyse a également été réalisée aux longueurs d’ondes de l’imageur multispectral satellitaire CaSSIS. Les spectres de Raman et la DRX seront acquis prochainement et interprétés de manière séparée. Par la suite, les trois jeux de données seront co-analysés afin de déterminer quelle technique est la plus sensible aux faibles abondances d’hématite et comment la combinaison de capteurs pourrait améliorer la confiance dans leur identification sur Mars. Les résultats préliminaires de cette étude seront présentés lors du colloque.

La photoclinométrie (shape-from-shading) permet d’affiner les modèles numériques d’élévation (MNE) en extrayant des détails topographiques à fine échelle à partir des variations d’intensité présentes dans les images. Cette technique contribue aux missions d’exploration planétaire actuelles en renforçant la sécurité lors de la navigation in-situ et en facilitant l’étude détaillée des processus de surface. Les futures missions robotisées lunaires, dotées de caméras d’atterrissage et de navigation ainsi que d’imageurs multispectraux, généreront de vastes jeux de données, offrant de nouvelles opportunités pour modéliser la topographie aux échelles submillimétriques.

Ce projet vise à évaluer l’applicabilité de l’algorithme de photoclinométrie de la suite « NASA Ames Stereo Pipeline » aux images microscopiques des surfaces planétaires. Les données ont été obtenues en laboratoire sur des matériaux analogues au régolithe lunaire avec le modèle d'ingénierie du Rover Multispectral Microscope (RMM), du rover Lunar Vertex. La caméra fournit une taille de pixel de 30 µm et mesure la luminance à 365, 740, 850, 910 et 940 nm. Les analyses, pertinentes pour la mission de rover lunaire canadien, évaluent l’impact de différents scenarios d’acquisition d’images sur la qualité des MNE. Les résultats préliminaires soulignent l’importance d’une meilleure modélisation des effets d'albédo pour assurer les bonnes performances de la photoclinométrie appliquée à des images microscopiques de régolithe.

La région de Reiner Gamma est l'une des plus fortes « anomalies magnétiques » sur la Lune et est associée à un tourbillon, on y constate des motifs inhabituels avec une forte réflectance dans les longueurs d'onde du visible. 

L'origine du phénomène est actuellement inconnue. Des études récentes ont été menées sur la topographie des lieux. Elles suggèrent que les régions avec présence d’un tourbillon comme celle de Reiner Gamma (RG) et Mare Ingenii (MI) sont topographiquement plus basses de quelques mètres que les régions hors tourbillon.

Nous avons mesuré le rapport profondeur/diamètre (d/D) des cratères (dans un tourbillon et hors tourbillon) présents dans RG et MI et utilisé leurs Modèles Numériques de Terrain (NAC LROC) en identifiant et localisant les cratères ayant un diamètre (D)>40 mètres grâce à un outil d’apprentissage profond « YOLOv5 ». Nous avons développé un outil SIG permettant de calculer les caractéristiques morphologiques des cratères puis avons affecté un état de dégradation selon une procédure de classification visuelle.

Les cratères dégradés semblent se trouver dans une zone où le champ magnétique est plus faible, ce qui suggère que les cratères formés sous un champ |B| élevé peuvent en effet se dégrader à un rythme réduit.

En collaboration avec l'Agence spatiale canadienne et plusieurs universités canadiennes, le projet PEEKbot a pour objectif de développer un rover lunaire à l’aide de la fabrication additive de thermoplastiques à haute performance. Le matériau sélectionné, le polyétheréthercétone (PEEK), se distingue par ses propriétés adaptées aux conditions extrêmes de l’environnement spatial. L’impression 3D permettra ainsi de produire des pièces directement sur la Lune. Cette technologie rendra possible la production in situ d'outils et de pièces de rechange, marquant une avancée majeure pour l'exploration spatiale.

Dans le cadre de cette initiative, notre équipe d'étudiants en génie aérospatial de l'Université Concordia se concentre sur l’amélioration du système de pointage d'antenne du PEEKbot. Ce système, essentiel pour maintenir une communication avec la Terre, doit assurer un alignement précis entre l'antenne et les stations au sol terrestres indépendamment de la position du rover. Notre travail intègre les exigences spécifiques à l’environnement spatial, notamment la protection contre l’infiltration de poussière lunaire. Des solutions ont également été développées pour corriger les problèmes d’alignement du système de transmission et assurer une précision optimale du pointage. Enfin, le design prend en compte l’intégration de l’antenne et du câble coaxial, tout en répondant aux contraintes propres à la fabrication additive.

Les données espérées des survols d’Europe via la mission ESA JUICE et, en particulier, via Europa Clipper, fourniront d’importantes contraintes qui peuvent confirmer la présence d’un profond océan sous une mince couche de glace. L’état d’un tel océan permet peut-être le maintien d’une forme de vie. Mesurer in-situ les propriétés physiques de la croûte de glace (i.e. épaisseur, rigidité, porosité, viscosité) sera néanmoins nécessaire pour une confirmation déterminante. La NASA propose l’envoi d’un atterrisseur (Europa Lander), équipé, entre autres, d’un séismomètre. Ici, il est proposé l’ajout d’un inclinomètre; un tel instrument peut fournir plusieurs contraintes additionnelles, tant dynamiques que statiques. La conception d’un inclinomètre adapté aux conditions extrêmes de la surface d’Europe représente plusieurs défis, mais non différents de ceux d’un séismomètre. Plusieurs calculs de déplacement de la croûte ont été proposés, mais pas en termes d’inclinaison. La source principale (et continuelle) des mouvements de la croûte d’Europe se trouve dans le potentiel des marées ambiantes, exprimé en termes d’excentricité. Basé sur ce potentiel, des calculs d’inclinaison marégraphique de la surface Européenne sont présentés ici. Ceux-ci suggèrent une plage d’angles de l’ordre du mrad et donc un critère de base pour la conception d’un inclinomètre adapté.

Le pôle Sud lunaire est une cible majeure pour les futures missions scientifiques et commerciales, soutenant l’exploration à court terme et l’habitation à long terme. Assurer des activités lunaires durables nécessite de démontrer les capacités d’exploitation des ressources in situ. Cependant, des lacunes dans la compréhension de la distribution, de l’abondance et du potentiel d'extraction des ressources lunaires entravent le développement de cadres politiques et juridiques efficaces, affectant la gestion des ressources spatiales et le partage équitable des bénéfices.

Cette étude vise à améliorer la connaissance des ressources du pôle Sud lunaire en cartographiant la distribution des minéraux et des zones contenant de l’eau au-delà de 84°S de latitude, en mettant l’accent sur les sites candidats de la zone d’exploration Artemis. L’analyse repose sur des données hyperspectrales du Moon Mineralogy Mapper (M3) de Chandrayaan-1 et de l’Imaging Infrared Spectrometer (IIRS) de Chandrayaan-2. M3 a acquis des données dans 85 canaux spectraux (~460–2976 nm) avec une résolution spatiale de ~140–280 m, tandis que l’IIRS offre une résolution comparable (80 m/pixel) et une couverture spectrale étendue (0,8–5 μm). Les données seront analysées avec le bibliothèque spectrale Tetracorder pour une cartographie détaillée, permettant le potentiel d’identifier de nouveaux minéraux.