Europa Clipper

La surface d'Europe est composée de glace d'eau et sans doute de sels (taches brunes et rouges).

Deux structures possibles de la couche de glace recouvrant Europe.

Europe est un satellite de Jupiter dont le diamètre est proche de celui de la Lune (3 121 kilomètres). Mais contrairement à cette dernière, sa surface, constituée d'une couche de glace sillonnée de fissures et d'arêtes entrecoupées de zones lisses et comportant peu de cratères d'impact, reflète une activité intense et récente. Plusieurs indices semblent montrer qu'Europe comporte sous sa couche de glace un océan d'eau liquide résultant du réchauffement suscité par les forces de marée qu'exerce Jupiter sur sa lune. Celles-ci sont particulièrement importantes car Europe est à la même distance de la planète géante que la Lune de la Terre, mais Jupiter est 318 fois plus massive que notre planète. La pression exercée par les forces de marée sur les roches entraîne leur échauffement, permettant sans doute la présence d'eau liquide malgré une température extérieure qui ne dépasse jamais −150 °C. L'océan souterrain pourrait constituer une zone habitable et héberger des micro-organismes. Pour cette raison, l'étude d'Europe par une sonde spatiale a été identifiée comme une mission prioritaire par les deux derniers rapports scientifiques décennaux de 2003 et 2011 consacrés aux sciences planétaires[1].

Les deux sondes spatiales du programme Voyager sont les premières dans les années 1970 à avoir révélé les formations étranges présentes à la surface d'Europe. Mais ces engins spatiaux n'ont pu fournir que des images à faible résolution qui soulevaient plus de questions qu'elles n'apportaient de réponses. La sonde spatiale Galileo qui a séjourné dans le système jovien de 1995 à 2003 a effectué 11 survols d'Europe et a permis d'obtenir des images et des spectres à haute résolution de différentes régions de la surface d'Europe. Ce sont ces observations qui ont permis d'émettre l'hypothèse d'un océan souterrain. Certaines formations à la surface permettent de penser que des échanges ont lieu entre celle-ci et l'océan souterrain. Selon les données fournies par le magnétomètre de Galileo, le déplacement d'Europe dans le champ magnétique de Jupiter induit un champ magnétique propre à la lune qui pourrait être créé par des courants électriques circulant dans les eaux salées de l'océan souterrain. L'irradiation des particules chargées en surface peuvent créer des oxydants qui, s'ils sont transportés dans l'océan, pourraient servir de carburant à des formes simples de vie[1].

À l'issue de la mission de Galileo, il subsiste de nombreuses inconnues car les instruments de Galileo n'étaient pas adaptés à l'étude de la lune Europe. Ainsi, la mesure de la gravité via l'effet Doppler a permis de déterminer qu'Europe était recouvert d'une couche d'eau ou de glace d'une épaisseur comprise entre 80 et 150 km sans qu'on sache quelle est la proportion d'eau liquide. Il n'existe pas non plus de signe évident d'activité géologique même si des panaches de vapeur d'eau ont peut-être été aperçus par le télescope spatial Hubble. Bien que la modélisation des fractures qui sillonnent la surface progresse, les scientifiques n'arrivent pas à conclure sur les processus à l’œuvre. On ne dispose pas de suffisamment d'éléments non plus pour déterminer si Europe dispose de sources d'énergie suffisantes pour entretenir la vie dans son océan intérieur[1].

Toute mission d'exploration d'Europe constitue un projet coûteux pour trois raisons. Europe est un univers complexe qui nécessite de recueillir beaucoup de données pour comprendre son histoire et ses caractéristiques. En effet, elle fait partie des corps célestes externes du Système solaire : son éloignement de la Terre et du Soleil nécessite des systèmes de communication et de production d'énergie performants et donc coûteux. Enfin, Europe se trouve dans la zone de rayonnement intense qui entoure Jupiter et son approche nécessite un blindage et une électronique renforcés qui accroissent la masse et le coût de la sonde spatiale. Même équipée pour résister au rayonnement, la durée de vie d'une sonde spatiale étudiant Europe est courte : elle a été évaluée à un mois pour un orbiteur d'un coût de 1,6 milliard $ et à neuf mois pour un orbiteur d'un coût de 4,5 milliards $[2].

Les premiers résultats fournis par la sonde spatiale Galileo ont donné naissance successivement à plusieurs projets de mission d'étude d'Europe. Aucun d'entre eux n'a abouti, faute de disposer de suffisamment de moyens financiers.

En 1997, la NASA, très satisfaite des résultats des missions interplanétaires à faible coût du programme Discovery et de la première mission Mars Surveyor, décide de transposer ce concept à des objectifs prioritaires beaucoup plus complexes. L'étude de trois missions est confiée au centre spatial JPL dans le cadre d'un projet surnommé Fire and Ice (« Le feu et la glace »). Parmi celles-ci figurent Europa Orbiter, qui doit étudier la lune Europe avec un nombre d'instruments réduit pour limiter les coûts. L'enveloppe budgétaire prévue est de 190 millions $, mais les coûts s'envolent au fur et à mesure de l'avancement de l'étude pour atteindre 1,4 milliard $. Le projet est alors abandonné[3].

L'administrateur suivant de la NASA a une démarche complètement opposée. Il fait étudier au début des années 2000 la mission Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), dont l'objectif est l'exploration des lunes glacées de Jupiter avec comme cible principale Europe. La sonde spatiale de 36 tonnes doit disposer d'un réacteur nucléaire permettant l'emport de plusieurs centaines de kilogrammes d'instrumentation scientifique[4]. Ce projet au coût démesuré (16 milliards $, alors que l'allocation budgétaire annuelle pour le développement des missions interplanétaires est inférieure à un milliard de dollars) est abandonné en 2005 lorsque l'administrateur quitte son poste[5].

En 2008, la NASA définit un nouveau projet de mission vers Europe baptisé Jupiter Europa Orbiter (JEO). Contrairement au projet précédent, cette mission repose sur des techniques maîtrisées. JEO doit effectuer une étude approfondie du système jovien avant de se placer en orbite autour d'Europe pour une durée de neuf mois. Mais le coût du projet, évalué à 4,3 milliards $, est considéré comme très élevé par l'agence spatiale et le projet est abandonné en 2011[6].

À la suite de l'abandon de JEO, l'agence spatiale américaine décide d'étudier en 2012 trois types de mission vers Europe — un orbiteur, un engin effectuant des survols et un atterrisseur — en imposant que le coût du projet reste inférieur à deux milliards de dollars. Le projet d'atterrisseur est rapidement éliminé, faute d'informations suffisamment précises sur les sites les plus intéressants sur le plan scientifique et sur la topographie des zones d'atterrissage. Dans l'enveloppe budgétaire imposée, l'orbiteur a une durée de vie estimée à 30 jours. La version effectuant des survols doit réaliser 34 passages à proximité de la lune en accumulant l'équivalent de six jours d'observation. Malgré cette durée d'observation beaucoup plus brève, cette sonde peut retourner près de trois fois plus de données car le débit en transmission est beaucoup plus faible que le volume collecté par les instruments : la sonde spatiale dispose en effet de sept à dix jours entre chaque survol pour transférer les données. Compte tenu des objectifs poursuivis, la mission effectuant des survols est préférée car elle permet une bonne mise en œuvre des instruments clés, comme le radar chargé d'observer sous la glace ou le spectromètre infrarouge chargé d'identifier les éléments chimiques présents. Au cours des deux années suivantes, les caractéristiques de la mission sont affinées : 11 survols sont ajoutés et des instruments complémentaires sont étudiés. Le projet, dont le coût est désormais évalué à 2,1 milliards $, est rebaptisé Europa Clipper. Toutefois, les responsables de la NASA ne souhaitent pas lancer immédiatement les développements car ils ne disposent pas des fonds nécessaires dans les prévisions budgétaires[2].

Le projet Europa Clipper est pratiquement imposé à la NASA par le représentant républicain du Texas John Culberson au début des années 2010. L'administrateur de la NASA Charles F. Bolden sait qu'un tel projet sera très coûteux et il préfère ne pas se lancer dans une aventure qui risque de ne pouvoir aboutir faute de moyens financiers. Mais Culberson, en tant que président de la commission des affaires spatiales, joue un rôle décisif dans l'allocation des fonds à l'agence spatiale. Celui-ci alloue, sans demande de la part de l'agence, 43 millions $ (2013) puis 80 millions (2014) à la mission. La NASA réalise en 2014 une étude pour parvenir à un projet d'un coût inférieur à un milliard de dollars[2]. Elle finit par accepter en 2015 de lancer le projet. L'agence spatiale lance alors un appel à propositions auprès de la communauté scientifique pour permettre la sélection des instruments scientifiques. En mai 2015, l'agence annonce qu'après avoir passé en revue 33 projets, elle en a retenu neuf qui seront installés à bord de la sonde spatiale[7]. La même année, Culberson, après avoir interrogé les spécialistes du JPL, propose d'ajouter un atterrisseur à l'orbiteur. Les ingénieurs évaluent le surcoût à 1 milliard $[8]. Culberson, qui est relativement isolé dans son soutien au projet d'atterrisseur, perd son siège au cours des élections de 2018[9]. Aucune somme n'est directement allouée au projet d'atterrisseur dans le cadre des budgets des années 2018 et 2019[10].

Parmi les débats autour du budget de la NASA de 2019 figure le montant alloué au projet Europa Clipper. Les partisans de la mission au Congrès des États-Unis souhaitent que la mission soit lancée au plus vite. Le lancement précoce (initialement 2022) nécessitait que l'enveloppe budgétaire au projet en 2018 (plus de 400 millions $) soit reconduite en 2019 et les années suivantes. Les responsables de la NASA proposent un calendrier moins agressif (lancement en 2025) avec un niveau de financement limité à 200 millions $ en 2019 puis une montée en puissance progressive au cours des années suivantes[11].

Le Sénat a également tenté d'imposer le lanceur lourd de la NASA Space Launch System (SLS). Celui-ci devait permettre d'atteindre Jupiter en deux ans et demi au lieu de six ans avec les lanceurs commerciaux disponibles comme l'Delta IV (ce lanceur moins puissant impose des manœuvres d'assistance gravitationnelle de Vénus et de la Terre pour atteindre Jupiter)[12]. Le lanceur lourd Falcon Heavy de SpaceX, dont la procédure de certification par la NASA devrait prendre quelques années, ne fait initialement pas partie de ceux envisagés. Mais le choix du lanceur SLS entraîne un surcoût important. Alors que le lancement par une fusée commerciale (Delta IV Heavy ou Falcon Heavy) coûterait au plus 500 millions $, le recours à la fusée SLS est évalué à 876 millions $ par les officiels de la NASA ou à deux milliards par les représentants de la Maison-Blanche, qui incluent les coûts fixes induits par la nécessité pour Boeing de redimensionner ses installations pour produire la fusée dont le vol est prévu en 2024.

Si les retards de développement imposent une modification du calendrier, le programme spatial habité Artemis aura la priorité. Toutefois, ce choix est poussé par le Congrès américain sans que les scientifiques et les ingénieurs de la NASA ne soient consultés. Leur préférence va à un lanceur commercial moins coûteux et dont la disponibilité n'est pas tributaire des aléas de développement chroniques du SLS[12]. Cependant, le Sénat en juillet 2020, a assoupli sa solution, laissant la porte ouverte à l'utilisation d'un lanceur Falcon Heavy qui serait doté pour répondre au besoin d'un troisième étage[13].

Au vu de l'avancée du projet SLS sur la fin d'année 2020, combiné à l'échec partiel du Hot fire le 16 janvier 2021[14], Robert Pappalardo, project scientist de la mission[15], annonce, lors d'une conférence de l'Outer Planets Assessment Group de la NASA (OPAG, groupe chargé par la NASA d'identifier les priorités scientifiques et d'exploration dans le système solaire externe[16]) le 10 février 2021, que la décision a été prise « d'annuler le projet visant à lancer Europa Clipper sur une fusée SLS »[17].

SpaceX est finalement choisie le 23 juillet 2021 dans le cadre d'un contrat de 178 millions $[18].

La région étudiée est soumise à des rayonnements intenses. Pour protéger les appareils les plus sensibles, et en particulier l'électronique ce qui inclut une grande partie de l'instrumentation scientifique, ceux-ci sont enfermés dans un caisson blindé à l'image de ce qui a été fait pour la sonde Juno.

Comme dans le cas de Juno, le choix a été fait de produire l'énergie à l'aide de panneaux solaires. Ce choix moins coûteux que le générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG) est néanmoins pénalisant au niveau de la masse et rend plus complexes les manœuvres et le contrôle d'attitude compte tenu de la taille des panneaux. La surface totale des panneaux solaires est de 102 m². L'énergie est stockée dans des batteries d'une capacité de 336 Ah en fin de mission[24].

L'ordinateur embarqué utilise un processeur RAD-750 avec 512 gigabits de mémoire de masse. Le bus est de type 1553[24].

Le système de télécommunications comprend une grande antenne parabolique de type haut-gain. Il est prévu de transférer environ 5,3 téraoctets de données au cours de la mission en bande Ka (liaison descendante). Les télémesures et les commandes sont envoyées dans les deux sens en bande X[24].

Le système de régulation thermique de Europa Clipper doit lui permettre de fonctionner aussi bien près du Soleil qu'au niveau de Jupiter (flux solaire 25 fois moins intense). Il doit rejeter ou au contraire produire de la chaleur en tenant compte à la fois de la phase de vol (éloignement du Soleil), de l'orientation de la sonde spatiale (face exposée à la chaleur), du type d'équipement (degré de tolérance aux variations thermiques, producteur ou non de chaleur) et de son utilisation (lorsqu'un instrument fonctionne, il génère de la chaleur, mais lorsqu'il est au repos il doit être éventuellement réchauffé). À l'intérieur du caisson blindé contenant les équipements les plus sensibles au rayonnement thermique, la température doit être maintenue entre -20 °C et +50 °C. Europa Clipper dispose d'un système baptisé HRS (Heat Redistribution System), qui redistribue la chaleur produite par les équipements enfermés dans le caisson blindé et l'envoie vers les autres équipements de la sonde spatiale. HRS permet de réduire le nombre de résistances chauffantes utilisées traditionnellement mais qui présentent l'inconvénient de consommer le peu d'énergie électrique disponible au niveau de l'orbite de Jupiter. Une des innovations introduites par ce système est qu'il sera utilisé pour réchauffer (mise à feu) ou évacuer la chaleur (fonctionnement) des moteurs-fusées utilisés pour propulser la sonde spatiale. La distribution de la chaleur est effectuée par un fluide caloporteur, le CFC-11, qui circule dans un réseau de tubulures en aluminium, long de 100 mètres, fixées sur les structures portant les équipements. Une pompe électrique d'une capacité de 1,5 litre fait circuler le fluide. Lorsque les équipements du caisson blindé ne produisent pas assez de chaleur parce qu'ils sont à l'arrêt, celle-ci est produite par le RHB (Replacement Heater Block). La chaleur excédentaire est évacuée par un radiateur central d'une superficie de 1,3 m², situé sur la face opposée à celle exposée au Soleil. Ces dispositifs sont complétés par des résistances chargées de réchauffer les équipements non pris en charge par le HRS et des couches d'isolants thermiques qui limitent les transferts thermiques avec l'extérieur[25].

La NASA a envisagé l'emport d'une sonde additionnelle d'une masse d'environ 250 kg, équipée de propulseurs de plus faible puissance mais qui serait plus modulable que Clipper pour aller analyser l'eau sortant des geysers d'Europe à la recherche de biosignatures[27]. Cette sonde possèderait un spectromètre de masse, un chromatographe phase gazeuse, et des caméras dans l'UV, l'infrarouge et le visible, pour compléter le travail d'imagerie fait par Clipper.

En quelques années, la sonde pourrait cartographier une grande majorité de la surface d'Europe, permettant aux chercheurs de déterminer un site d'atterrissage pertinent. Emportant différents spectromètres alimentées sur batteries, un atterrisseur pourrait déterminer avec une bonne précision la composition chimique de la surface[28]. L'utilisation d'un étage de descente proche de celui de Mars Science Laboratory permettrait une bonne précision de l'atterrissage, près d'une faille active (ce type de site serait à privilégier sachant qu'on y trouve de la glace récente, plus fidèle à la chimie de l'océan souterrain).

: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (en) Europa Study Team (NASA JPL), Europa study 02 report Europa multiple flyby mission, NASA, 1^er mai 2012, 215 p. (lire en ligne [PDF])
  Étude détaillée de la NASA sur une mission d'étude d'Europe consistant en de multiples survols (2012)
• (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 3 Wows and Woes 1997-2003, Springer Praxis, 2012, 529 p. (ISBN 978-0-387-09627-8, lire en ligne). 
  Description détaillée des missions (contexte, objectifs, description technique, déroulement, résultats) des sondes spatiales lancées entre 1997 et 2003.
• (en) Paolo Ulivi et David M. Harland, Robotic exploration of the solar system, Springer Praxis, 2014, 567 p. (ISBN 978-1-4614-4811-2), « Part 4 : the Modern Era 2004-2013 ». 

• Exploration du système jovien.
• Jupiter et Europe, objectifs de la mission.
• Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) mission de l'ESA qui doit également survoler et étudier Europe.
• Galileo et Juno, les deux missions consacrées au système jovien qui précèdent JUICE et Europa Clipper.
• Europa Lander, projet d'atterrisseur sur Europe en cours d'évaluation.

• (en-US) Site officiel
• (en) Présentation d'une étude des principaux concepts de la mission publiée par la NASA en juillet 2013
• (en) Synthèse des études sur la mission en février 2018
• [vidéo] Hugo Lisoir, Découvrir un océan extraterrestre - Europa Clipper - LDDE sur YouTube