Europa Lander

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 20 000 fois plus massive que la Terre. 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 peut constituer une zone habitable et héberger des micro-organismes. Pour cette raison, l'étude d'Europe par une sonde spatiale est identifiée comme une mission prioritaire par les deux derniers rapports scientifiques décennaux de 2003 et 2011 consacrés aux sciences planétaires[2].

Les deux sondes spatiales du programme Voyager sont les premières dans les années 1970 à révéler les formations étranges présentes à la surface d'Europe. Mais ces engins spatiaux ne fournissent que des images à faible résolution qui soulèvent plus de questions qu'elles n'apportent de réponses. La sonde spatiale Galileo qui séjourne dans le système jovien de 1995 à 2003 effectue 11 survols d'Europe et permet d'obtenir des images et des spectres à haute résolution de différentes régions de la surface d'Europe. Ce sont ces observations qui permettent d'émettre l'hypothèse d'un océan souterrain. Certaines formations à la surface laissent 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 peut 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 jusqu'à l'océan, peuvent servir de source d'énergie à des formes simples de vie[2].

À l'issue de la mission de Galileo, il subsiste de nombreuses inconnues car les instruments de Galileo ne sont pas adaptés à l'étude de la lune Europe. Ainsi, la mesure de la gravité via l'effet Doppler permet de déterminer qu'Europe est 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 sont peut-être 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[2].

La mission Europa Clipper qui doit être lancée au cours de la décennie 2020, quelques années avant l'atterrisseur, est un engin spatial de la NASA qui doit se placer en orbite autour d'Europe. Il a pour objectif de s'assurer de la présence d'eau sous la croûte de glace ou au sein de la glace, déterminer les caractéristiques de l'eau présente ainsi que les processus d'échanges entre la surface et l'océan intérieur, déterminer la distribution et la composition chimique des principaux constituants de la lune et les liens existant avec la composition de l'océan et enfin déterminer les caractéristiques et le mode de genèse des formations se trouvant à la surface y compris les sites reflétant une activité récente.

En 2011, à la suite de l'abandon du projet d'exploration d'Europe depuis l'orbite Jupiter Europa Orbiter (JEO), la NASA décide d'évaluer trois scénarios d'exploration de ce satellite dans le cadre d'une étude baptisée Europe Habitability Orbiter (EHMO). L'un de ces scénarios Europa Lander Mission (ELM), prévoit de faire atterrir un engin sur le sol d'Europe pour étudier in situ. L'engin d'une masse au départ de 6,9 tonnes utilise pour produire de l'énergie deux générateurs Stirling à radioisotope avancé. La sonde spatiale se dirige vers Jupiter après avoir reçu l'assistance gravitationnelle de la Terre (à deux reprises) et de Vénus. L'insertion sur une orbite de 200 kilomètres autour d'Europe est réalisée 1,4 an après l'injection en orbite autour de Jupiter. La dose de radiation accumulée à ce stade ne dépasse pas 125 kilorads. La sonde spatiale se sépare alors en deux sous-ensembles : un orbiteur équipé d'une caméra à haute résolution qui va identifier durant 1 mois les sites d'atterrissage potentiels et l'atterrisseur proprement dit. Ce dernier après séparation annule sa vitesse orbitale en freinant de 1,4 km/s puis descend verticalement sans propulsion jusqu'à une altitude de 4 km. Il utilise alors neuf moteurs-fusées brûlant de l'hydrazine pour se freiner. La phase finale de la descente vers le sol utilise un lidar et un atterrissage de précision est effectué dans une zone sélectionnée de 10 x 10 mètres. La vitesse à l'atterrissage est de 0,5 m/s. Une fois au sol la mission dure environ 1 mois. Les instruments embarqués comprennent un spectromètre de masse, un spectromètre Raman, un sismomètre, un magnétomètre, une caméra stéréo et un microscope. L'atterrisseur dispose d'un système de prélèvement d'échantillons du sol qui sont ensuite analyser par les spectromètres. Le coût de la mission est évaluée à environ 3 milliards de dollars américains. Cette proposition est écartée d'emblée notamment en raison du risque élevé[4].

Le projet d'orbiteur Europa Clipper, une sonde spatiale qui doit être placée en orbite autour d'Europe, est pratiquement imposé à la NASA par le représentant John Culberson au début des années 2010. La NASA sait qu'un tel projet est très coûteux et elle préfère ne pas se lancer dans une aventure qui ne peut 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. Culberson alloue, sans demande de la part de l'agence, 43 millions de dollars américains (2013) puis 80 millions (2014) à la mission. La NASA finit par accepter en 2015 de lancer le projet. En 2015, Culberson, après avoir interrogé les spécialistes du JPL, décide d'ajouter un atterrisseur à l'orbiteur. Les ingénieurs du JPL évalue le surcoût à 1 milliard de dollars américains[5]. Culberson, qui est relativement isolé dans son soutien au projet d'atterrisseur, perd son siège au cours des élections de 2018[6]. Aucune somme n'est directement allouée au projet d'atterrisseur dans le cadre des budgets des années 2018 et 2019[7].

Europa Lander a une masse comprise de 16 tonnes selon les scénarios ce qui en fait la sonde spatiale la plus lourde jamais lancée. Elle est composée de quatre modules (cf. schéma ci-dessous)[9] :

• Le vaisseau porteur (Carrier Stage ou CS) a une architecture similaire à celle de Europa Clipper mais sans les instruments scientifiques. Il prend en charge toute la phase de la mission qui s'écoule jusqu'à la séparation de l'atterrisseur. L'énergie est fournie par de grands panneaux solaires. Il prend en charge toutes les manœuvres conduisant à l'insertion en orbite autour d'Europe. Après séparation de l'atterrisseur il est placé sur une orbite autour d'Europe suffisamment haute pour respecter les contraintes de la protection planétaire.
• Le véhicule qui se détache du vaisseau porteur (Deorbit Vehicle ou DV) pour entamer la descente vers le sol d'Europe est lui-même composé de trois modules :

• • L'étage DOS (DeOrbit Stage) est chargé d'annuler la vitesse horizontale du DV. Il est constitué essentiellement par une rétrofusée à propergol solide. L'intelligence du DOS (guidage, contrôle d'attitude) est gérée par l'étage de descente. Après avoir rempli sa fonction, il se détache et s'écrase sur le sol d'Europe,
  • L'étage de descente (Descent Stage ou DS) est chargé d'amener l'atterrisseur sur le sol d'Europe. Il utilise à cet effet une propulsion à ergols liquides brûlant de l'hydrazine et un lidar qui guide l'engin spatial jusqu'au site d'atterrissage. Pour déposer en douceur l'atterrisseur sur la surface d'Europe, il reprend la formule du grutage mis en œuvre par Mars Science Laboratory,
  • L'atterrisseur proprement dit qui est le seul module à se poser en douceur sur le sol d'Europe et chargé de la mission scientifique.

Les différentes configurations en vol d'Europa Lander.

L'atterrisseur proprement dit et le système de prélèvement d'échantillons.

L'atterrisseur qui se pose sur le sol d'Europe emporte la charge utile. Pour la production d'énergie, les deux méthodes utilisées par les sondes spatiales envoyées vers Jupiter sont écartées : les panneaux solaires (masse prohibitive compte tenu de l'intensité du rayonnement solaire) et les générateurs thermoélectriques à radioisotope (coûteux et disponibilité du combustible réduite). L'énergie est fournie par des accumulateurs d'une capacité de 45 kWh (dont 1,6 kWh sont disponibles pour l'instrumentation scientifique) ce qui limite la durée de la mission au sol à 20 jours terrestres.. Cette contrainte de durée est acceptable dans la mesure où le rayonnement ambiant élevé réduit la durée de vie des équipements. L'ensemble des instruments hormis les têtes optiques des caméras est enfermé dans un caisson blindé. Celui-ci réduit la dose totale de rayonnement ionisant subie à moins de 150 kilorad. Conformément aux standards en vigueur à la NASA, l'électronique est dimensionnée pour supporter une dose de 300 kilorads. L'atterrisseur dispose d'une système de communications qui permet les échanges directs avec la Terre. Celui-ci utilise une antenne faible gain et une antenne grand gain[10]. L'atterrisseur dispose d'un système de prélèvement d'échantillons de sol qui doit permettre de prélever à 5 reprises un minimum de 7 cm³ de sol à une profondeur de 10 cm pour permettre son analyse par les instruments embarqués[11].

L'instrumentation scientifique, dont la masse totale ne doit pas dépasser environ 32,5 kg, fait l'objet d'un appel à propositions en mai 2018. Une configuration type est présentée dans les documents produits par l'agence spatiale américaine en 2017[12] :

• Détecteur de substances organiques OCA (Organic Compositional Analyzer) constitué d'un chromatographe en phase gazeuse et d'un spectromètre de masse basé sur l'instrument SAM.
• Spectromètre Raman VS (Vibrational Spectrometer) analogue à l'instrument SHERLOC du rover martien Mars 2020.
• Microscope MLD permettant de distinguer des micro-organismes de 0,2 micron.
• Une paire de caméras stéréo CRSI (Context Remote Sensing Instrument) dotées d'une focale de 34 millimètres et fixées en hauteur sur l'antenne grand gain.
• Un sismomètre GSS (Geophysical Sounding System).

• Europe.
• Europa Clipper, mission de la NASA en cours de développement qui doit se placer en orbite autour d'Europe vers 2025.
• Galileo et Juno, les deux missions consacrées au système jovien qui précèdent JUICE et Europa Clipper.
• JUICE, mission d'étude des lunes de Jupiter développée par l'Agence spatiale européenne.

• (en) Synthèse de l'étude de la mission (présentation du 22 février 2017 par le JPL).
• (en) Déroulement de la mission (présentation du 12 septembre 2018).
• (en) Synthèse de l'étude préliminaire pré-phase A (présentation du 12 septembre 2018).