Exploration de Neptune et ses satellites

En 1991 la NASA étudie une mission utilisant une plateforme Mariner Mark II similaire à celle utilisée par Cassini Huygens et envisagée pour la mission CRAF. Elle doit emporter une sonde atmosphérique similaire à celle larguée par Galileo dans l'atmosphère de Jupiter. La mission qui doit être lancée en 2002 par une fusée lourde Titan IV doit atteindre Neptune en 2021 après avoir survolé successivement Vénus, la Terre et Jupiter pour accroitre à chaque fois sa vitesse. Le projet ne dépasse pas le stade de l'étude[1].

La NASA après avoir étudié de manière approfondie l'utilisation d'un moteur utilisant l'énergie produite par un réacteur nucléaire (projet NERVA) avait abandonné ses recherches pour des raisons de cout, de complexité et à cause de la mauvaise image du nucléaire dans l'opinion publique. En 2002 l'agence spatiale décide de réactiver les études sur le sujet dans le cadre du Nuclear Systems Initiative rebaptisé par la suite Projet Prométhée. L'objectif principal est d'explorer les planètes externes avec des sondes spatiales combinant réacteur nucléaire et propulsion électrique. La première mission baptisée JIMO doit étudier Jupiter et ses satellites. La taille de la sonde spatiale dépasse tout ce qui a été développé jusque-là : 36 tonnes et une longueur de 58 mètres à comparer aux 5,8 tonnes de Cassini, la plus importante sonde spatiale lancée jusque-là. Le réacteur nucléaire, d'une puissance de 0,5 MW, fournit 200 kW et permet de s'affranchir de panneaux solaires inefficaces à grande distance du Soleil. La sonde spatiale emporte 8 à 12 tonnes de xénon qui sont utilisées par 8 moteurs ioniques dotées d'une impulsion spécifique de 6000 à 8000 secondes[3]. Pour explorer Neptune, la mission Prométhée-N reprend les mêmes caractéristiques que JIMO. La sonde spatiale emporte 1500 kilogrammes d'instrumentation scientifique et deux sondes atmosphériques d'une masse unitaire de 300 kg (dont 19,4 kg d'instrumentation) chargées d'étudier in situ l'atmosphère de Neptune. Le lancement était prévu en 2016 et après avoir survolé Jupiter en 2020 et bénéficié de son assistance gravitationnelle, la sonde spatiale devait atteindre Neptune en 2029. Après avoir largué les deux sondes atmosphériques, Neptune devait se placer en orbite autour de la planète géante puis se mettre en orbite autour de sa lune Triton. Le Jet Propulsion Laboratory avait même envisagé d'embarquer un petit atterrisseur de 500 kg chargé d'atterrir à la surface de Triton et de prélever pour l'étudier une carotte de son sol glacé[1]. Le projet Promotheus reposait sur une technologie très ambitieuse et le budget envisagé est de 16 milliards US$ en excluant les couts de mise au point du réacteur nucléaire. Rencontrant une forte opposition dans la communauté scientifique et remis en cause par le lancement du programme Constellation le projet de sonde spatiale à propulsion nucléaire est abandonné en 2005 [4].

A la même époque que JIMO, les principaux établissements de la NASA présentent conjointement un projet de sonde spatiale reposant sur l'aérocapture. Comme dans le cas des missions Promotheus, la sonde spatiale dispose d'une propulsion électrique mais l'énergie est fournie par des panneaux solaires de grande taille. Arrivé à proximité de Neptune la sonde spatiale plonge dans son atmosphère pour réduire sa vitesse qui est à l'arrivée de 28 à 30 km/s, puis après avoir subi une violente décélération culminant à 22 g, se placer en orbite autour de la planète. Durant la phase de freinage la sonde spatiale est protégée par un bouclier thermique de forme elliptique enveloppant l'engin. Ce bouclier résultait d'études effectuées par la NASA pour poser des charges lourdes sur le sol martien. La sonde spatiale emporte deux sondes atmosphériques et durant sa mission scientifique effectue au moins 40 survols de Triton à moins de 1 000 kilomètres. L'orbiteur qui a une masse réduite alors à 1900 kg communique avec la Terre à l'aide d'une antenne parabolique de 4,2 kilomètres qui est déployée une fois la sonde spatiale en orbite. Deux générateurs à radio-isotopes de type MMRTG fournissent l'énergie nécessaire. La technique de l'aérocapture permet d'augmenter de 40% la charge utile et de réduire le temps de transit de 3 à 4 ans. La sonde d'une masse de 4,8 tonnes devait être lancée en 2015 ou 2018 par une fusée Delta IV et atteindre Neptune 12 ans plus tard après avoir bénéficier de l'assistance gravitationnelle de Jupiter[1] - [5].

Une équipe de scientifiques propose pour les missions scientifiques à cout élevé L2 et L3 de l'Agence spatiale européenne le projet ODINUS (Origins, Dynamics and Interiors of Neptunian and Uranian Systems) est proposé. ODINUS comprend deux sondes spatiales lancées vers Uranus et Neptune. Chaque sonde spatiale a une masse à sec de 500 à 600 kg et utilise une propulsion chimique et électrique. La durée du transit est respectivement de 13 et 15 ans. La proposition est classée troisième lors de l'évaluation des différents projets proposés. Odinus reposait sur le développement par l'agence spatiale européenne d'un générateur à radio-isotope, projet resté jusque-là sans suite[1] - [6].

Au cours de la décennie 2010 la NASA essaie de définir une mission permettant d'étudier simultanément Uranus et Neptune avec une date d'arrivée prévue vers 2030. Mais l'agence spatiale américaine ne dispose pas de suffisamment de fonds pour un tel projet et elle doit choisir l'une des deux planètes en combinant éventuellement la mission avec un survol d'un ou plusieurs objets de la ceinture de Kuiper. Après avoir privilégié dans un premier temps l'exploration d'Uranus qui s'est révélée beaucoup plus active que prévu selon des observations effectuées en 2017 par le télescope spatial Hubble, le groupe de travail scientifique de la NASA consacré aux planètes extérieures, l'OPAG (Outer Planets Assessment Group), a porté son choix sur Neptune car sa lune Triton héberge sans doute un océan sous sa surface. Selon les souhaits de l'OPAG, la prochaine mission phare (type de mission disposant d'un budget de plusieurs milliards US$) de la NASA devrait être lancée vers Neptune. La date de lancement dépend d'un alignement particulier de Jupiter (qui doit être survolée pour bénéficier de son assistance gravitationnelle) et Neptune qui ne se reproduit que tous les 12 ans. La prochaine fenêtre de lancement se situe dans la fourchette de dates 2028-2030. La sonde spatiale atteindrait Neptune vers 2043[7]. Début 2020 aucun projet à gros budget à destination du système de Neptune ne faisait l'objet d'étude avancée.

Les taches sombres visibles sur cette photo prise par Voyager 2 en 1989 sont interprétées comme les traces laissées par de geysers d'azote qui pourraient être l'indice d'un océan souterrain.

Le programme Discovery rassemble des missions à petit budget (500 millions US$) qui ne permettent pas de viser des objectifs très lointains. Toutefois pour l'appel à propositions lancé en 2019 la NASA décide de mettre à disposition des générateurs thermoélectriques à radioisotope multi-mission (RTG) à prix réduits. Ceux-ci permettent de s'affranchir de panneaux solaires et constituent une solution idéale pour des missions vers les confins du système solaire (l'énergie solaire décroit comme le carré de la distance). Pour encourager les propositions à destination des planètes externes du système solaire, la NASA décide également d'exclure de l'enveloppe budgétaire allouée à la mission les couts opérationnels associés au long transit entre la Terre et les planètes externes (12 ans dans le cas de la mission Trident). Dans ce contexte une équipe du Jet Propulsion Laboratory propose le projet Trident dont l'objectif est d'étudier Triton la plus grande des lunes de la planète Neptune. Celle-ci, qui comporte un noyau solide recouvert de glace, présente une surface jeune reflet de processus dynamiques en cours et surtout elle pourrait abriter un océan souterrain. La mission est retenue en février 2020 avec trois autres propositions pour le dernier tour de sélection qui devrait intervenir en 2021. Si elle est sélectionnée, Trident sera lancée en 2026 et effectuera un survol unique de Triton et de Neptune en 2038. La sonde spatiale d'une masse de 1 230 kilogrammes emporte des caméras, un magnétomètre, un spectromètre infrarouge et un spectromètre de plasma. Son objectif est de caractériser les processus à l’œuvre à la surface de la lune et de déterminer si un océan souterrain est présent sous sa surface[8] - [9].

• (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 1 The Golden Age 1957-1982, Chichester, Springer Praxis, 2007, 534 p. (ISBN 978-0-387-49326-8).
• (en) Paolo Ulivi et David M. Harland, Robotic exploration of the solar system : Part 4 : the Modern Era 2004-2013, Springer Praxis, 2014, 567 p. (ISBN 978-1-4614-4811-2), p. 352

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• Trident : projet de mission spatiale à destination de Triton.