Concevoir des rovers pour les conditions extrêmes de l’environnement lunaire
Rover lunaire dans son environnement de test (Canadensys Aerospace Corporation [Canadensys])
Rover lunaire dans son environnement de test (Canadensys Aerospace Corporation [Canadensys])
Quels sont les liens avec mon programme d'études?
Découvre l’environnement extrême sur la Lune et les défis qu’il pose pour la conception de rovers lunaires.
Quand on regarde la Lune de notre maison sur Terre, elle ne semble pas très effrayante. Juste une sphère grise tachetée dans le ciel. Trouverais-tu surprenant d’apprendre que la surface lunaire regorge de dangers pour les humains tout comme pour les machines? Explorer la Lune, c’est du sérieux.
Rovers lunaires
Rover lunaire dans son environnement de test (source : Canadensys Aerospace Corporation [Canadensys]). Utilisée avec autorisation.
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Photographie couleur du rover lunaire de Canadensys dans son environnement de test. Il est tourné à environ 45 degrés.
Le corps du micro rover ressemble à une tortue avec sa forme de dôme octogonal. Le corps du rover est majoritairement blanc avec des panneaux solaires hexagonaux gris fixés à ses côtés inclinés. Une petite antenne qui sort du toit de la partie arrière du rover est visible. Une petite caméra est montée sur une perche et est située au milieu du toit du rover. De petites roues sont attachées au bas du rover; leur conception métallique avec des ouvertures rappelle une râpe à fromage. D’autres instruments plus petits sont fixés au-devant du rover.
Le rover lunaire a laissé des traces de roues dans le sol lunaire gris simulé. Il y a deux roches dans le coin supérieur droit de l’image. En arrière-plan, la noirceur s’étend derrière le rover.
Noirceur
De la Terre, on voit toujours la même face de la Lune. C’est parce que la Lune pivote sur son axe à la même vitesse qu’elle tourne autour de la Terre. On dit alors qu’elle est en rotation synchrone avec la Terre.
Cette animation montre comment la Terre et la Lune tournent ainsi que comment la Lune orbite autour de la Terre.
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Animation couleur de la Lune orbitant autour de la Terre, sur fond noir.
Un globe bleu et vert tourne au centre pendant qu’une Lune grise pivote sur son axe tout en tournant autour de la Terre. Le même côté de la Lune fait face à la Terre quand elle orbite autour de cette dernière. La trajectoire de l’orbite de la Lune autour de la Terre est illustrée en blanc.
Certaines zones de la Lune sont toujours soit dans la lumière ou la noirceur. Il s’agit des pôles de la Lune. Certaines montagnes dans ces zones sont toujours exposées à la lumière du soleil. De profonds cratères dans ces zones sont toujours dans la noirceur. On appelle ces zones des régions ombragées en permanence ou ROP. Ces cratères sont ombragés parce que le Soleil est très bas par rapport à l’horizon.
La noirceur constitue un important défi pour les rovers. C’est parce que la source d’énergie principale pour un rover est le Soleil, qui alimente des panneaux solaires. Sans énergie, un rover ne peut pas bouger, utiliser ses instruments scientifiques, allumer ses phares ou communiquer avec la Terre.
Vue des panneaux solaires sur un rover (source : Défi de recherche du rover lunaire par Parlons sciences réalisé par actuality),
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Illustration couleur du rover lunaire de Canadensys sur fond blanc.
Une boîte de légende bleu et orange pointe vers le panneau solaire hexagonal de gauche sur le rover. Le texte en blanc explique que les panneaux solaires rechargent la batterie du rover. Les panneaux sont inclinés pour capter la lumière du soleil. Le soleil est bas à l’horizon au pôle Sud de la Lune.
Les caractéristiques du rover sont les mêmes que dans l’image précédente. Toutefois, le rover fait directement face à la caméra dans cette image.
Les panneaux solaires doivent se rendre jusque sur la Lune sans être endommagés. Cela peut s’avérer difficile! Les panneaux solaires peuvent se briser facilement et les lancements entraînent beaucoup de tremblements! Un atterrissage brutal sur la Lune pourrait aussi endommager les panneaux.
Pour qu’un rover puisse survivre dans la noirceur, il doit avoir passé du temps dans un endroit ensoleillé. Cela permet à la batterie de se recharger suffisamment pour faire fonctionner ses appareils de chauffage.
Les rovers peuvent aussi se recharger en utilisant un module lunaire à proximité. Le module agit comme une base d’attache pour les rovers pendant qu’ils sont sur la Lune. Le rover peut utiliser un logiciel d’amarrage pour trouver le module lunaire. Une fois rendu à proximité, le rover peut utiliser la recharge sans fil pour se recharger lui-même.
La compagnie WiBotic (en anglais) a été choisie par la NASA pour livrer ce genre de recharge sans fil pour les missions lunaires à venir.
Froid extrême
Il y a une différence de température extrême entre le jour et la nuit sur la Lune. Durant la journée, la température s’élève à environ 127 degrés Celsius. Durant la nuit, elle peut descendre aussi bas que -173 degrés Celsius. Il peut même faire encore plus froid dans les cratères!
Image d’artiste du LRO (source : domaine public via NASA).
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Illustration couleur du Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), un engin spatial robotisé de la NASA.
Le LRO est visible au premier plan, orbitant au-dessus de la surface d’une grosse Lune. Une Terre plus petite est visible, à une certaine distance, et semble à moitié disparaître dans la noirceur de l’espace.
Le LRO ressemble à un prisme rectangulaire métallique avec une antenne parabolique Mini RF. Son large panneau solaire est en position inclinée, sur le côté opposé de l’orbiteur.
Le savais-tu?
Les températures les plus froides dans le système solaire ont été enregistrées aux pôles de la Lune. Les scientifiques ont jusqu’à maintenant étudié ces zones à l’aide d’instruments de télédétection uniquement.
Pour explorer les cratères et les ROP, les rovers devront survivre à des températures froides extrêmes. Comment y parviendront-ils?
Le scientifique Peter Tsou tenant un cube fait d’aérogel (source : NASA/JPL-Caltech [domaine public] via Wikimedia Commons).
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Photographie couleur d’un scientifique de JPL tenant un cube translucide d’aérogel sur un plateau en verre, avec les bras pliés au niveau des coudes. Il se trouve dans un laboratoire assombri.
Peter Tsou a la peau brune, les cheveux noirs et il porte un sarrau bleu. En dessous de ses bras, l’image est complètement noire.
De l’équipement de laboratoire est visible en arrière-plan, tel que des flacons, de la tubulure et des tuyaux enveloppés de papier d’aluminium.
Régulation de la température
Les rovers ont aussi des systèmes de régulation de la température. Cela inclut les appareils de chauffage. Un thermostat sur l’appareil de chauffage peut automatiquement allumer ou éteindre l’appareil. Le système de dissipation de la chaleur utilise une pompe et de la tubulure pour libérer de la chaleur dans l’espace. Ce fonctionnement ressemble beaucoup à celui du système de climatisation dans une voiture.
Rayonnement cosmique
Il y a beaucoup de particules de haute énergie qui flottent dans l’espace. Elles constituent ce qu’on appelle le rayonnement cosmique, ou rayons cosmiques. Ces particules sont très dangereuses pour les personnes et l’équipement dans l’espace.
Le champ magnétique et l’atmosphère de la Terre nous protègent contre les effets de ces particules. La Lune, pour sa part, n’offre pas cette même protection. La Lune n’a pas d’atmosphère et son champ magnétique est très faible. Cela signifie qu’il n’y a presque pas de protection contre le rayonnement.
Les astronautes sur la surface de la Lune seraient exposés à un rayonnement de 200 à 1000 fois plus intense que sur Terre. C’est environ deux fois et demie le niveau de rayonnement présent dans la Station spatiale internationale (SSI). Une exposition à de hauts niveaux de rayonnement peut causer des cancers ou d’autres maladies.
Exemple d’un fil blindé (source : vinap via iStockphoto).
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Illustration couleur d’un fil blindé placé horizontalement.
Une gaine de plastique noir recouvre la couche externe de ce câble. Sous cette gaine se trouve le blindage tressé en spirale du câble. En dessous de cette couche se trouve un matériau isolant blanc, avec des fils exposés de différentes couleurs qui sortent de l’extrémité de droite.
Le savais-tu?
Le « durcissement » est le terme pour les processus ou matériaux utilisés pour protéger les composants électroniques contre le rayonnement.
Terrain accidenté
De la Terre, le sol lunaire semble plutôt plat et lisse. C’est pourtant loin d’être le cas! Dans certains endroits, le terrain est plat, mais dans d’autres, il y a des formations rocheuses escarpées et de profonds cratères.
Pour explorer ces régions, les rovers doivent pouvoir grimper et ne pas rester pris!
Image de la surface de la Lune prise lors de la mission Apollo en 1969 (Source: NASA via Wikimedia Commons).
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Image en noir blanc d’un plan rapproché de la surface de la Lune.
La surface lunaire à l’air granuleuse, grisâtre et parsemée de petits creux. Un marqueur ressemblant à un bâton, maintenu à la verticale par un trépied de minces fils de métal, est visible au centre gauche de l’image. Quelques petites roches sont éparpillées sur la surface. Une petite ombre noire de forme irrégulière apparaît dans le coin inférieur droit.
Vidéo d'essai sur le terrain du rover Juno (2020) par ASC (1 min 32 s).
Roues de rover Canadensys livrées à l’Agence spatiale canadienne (Source: Canadensys Aerospace. utilisée avec autorisation).
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Photographie de deux rovers stationnés côte à côte sur une surface de gravier.
Les rovers ont des roues de conceptions semblables, des plaques de métal montées à plat autour de la circonférence de chaque roue. Le rover en premier plan est un modèle à conception ouverte avec des barres de métal fixées sur le véhicule. Les instruments de l’autre rover sont entourés d’un recouvrement en métal, avec quelques instruments fixés à l’extérieur.
Une ossature en métal additionnelle est visible en arrière-plan.
DuAxel: A NASA Prototype Rover to Explore the Toughest Terrain (2020) par NASA Jet Propulsion Laboratory (2 min 43 s).
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Vidéo couleur de DuAxel, un rover flexible qui peut se déplacer sur de longues distances et descendre en rappel pour se rendre dans des régions d’intérêt scientifique difficiles à atteindre. Composé de deux robots Axel, DuAxel est conçu pour explorer les parois de cratères, les fosses, les escarpements, les cheminées et autres terrains extrêmes sur la Lune, sur Mars et au-delà.
On peut voir DuAxel pendant un essai sur terrain, se déplaçant sur un sol sablonneux rouge dans le désert des Mojaves en Californie. DuAxel s’ancre au sol et déploie Axel (la section arrière à deux roues du véhicule). Axel explore le terrain escarpé sur deux roues tout en étant rattaché à DuAxel.
Le savais-tu?
Sur Terre, les pneus de caoutchouc remplis d’air sont très courants, mais ils ne fonctionneraient pas sur la Lune. Le froid extrême de la Lune rendrait le caoutchouc si dur qu’il se briserait comme du verre!
Gérer la poussière
Scientifique-astronaute Harrison Schmitt utilisant un outil d’échantillonnage pour collecter des échantillons lunaires lors de la mission Apollo 17 (source : NASA).
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Photographie en noir et blanc d’une personne vêtue d’une combinaison spatiale, tendant un outil ressemblant à un bâton vers le sol lunaire.
En premier plan se trouvent quelques grosses roches ébréchées et un marqueur ressemblant à un bâton, maintenu à la verticale par un trépied de minces fils de métal, est visible dans le coin inférieur droit.
La personne porte une combinaison, un casque et des gants blancs ainsi qu’un gros sac à dos blanc. Son ombre s’étire sur le sol vers la droite. D’autres roches ébréchées sont éparpillées de façon irrégulière sur le sol. L’horizon est gris et semble lisse.
4K - Lunar rover vehicle on Moon - 1969 (2021) par Science & Technology (4min 25s)
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Vidéo couleur du véhicule lunaire (LRV) durant l’une des dernières missions Apollo entre 1971-1972. Le LRV, aussi appelé jeep lunaire, est un rover à quatre roues alimenté par batterie.
Le véhicule a une conception à ciel ouvert et un astronaute dans une combinaison spatiale blanche conduit le véhicule sur le terrain cahoteux gris de la surface lunaire. Quand ses roues passent sur chaque bosse, un nuage de poussière s’élève dans les airs. Par-delà de l’horizon, le ciel est noir.
Beaucoup d’efforts ont été mis pour régler les problèmes liés à la poussière sur les combinaisons des astronautes. Certaines des technologies utilisées pourraient aussi fonctionner pour les rovers. Cela inclut de créer des charges électriques pour repousser la poussière et appliquer un revêtement résistant à la poussière.
Des modèles à la vraie chose
En novembre 2022, Canadensys Aerospace Corporation (Canadensys) et ses partenaires ont été choisis pour fabriquer le premier rover lunaire canadien et ses instruments scientifiques. Ce petit rover jouera un rôle important dans la recherche d’eau sous forme de glace sur la Lune.
Source de l’image : Canadensys Aerospace Corporation (Canadensys) via Défi de recherche du rover lunaire de Parlons sciences.
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Photographie couleur du rover lunaire de Canadensys dans son environnement de test intérieur.
Le rover est dans un environnement qui simule la noirceur de la nuit lunaire. Le rover blanc en forme de dôme possède des phares jaunes qui illuminent une zone juste devant lui. Ses roues en métal dentelées ont laissé plusieurs traces sur le sol sablonneux gris. Le micro rover est positionné dans un angle de 45 degrés vers la gauche. Des traces profondes recouvrent une petite butte derrière le rover, et par-delà cette butte il n’y a que noirceur.
C’est une période très excitante pour les technologies spatiales canadiennes. La conception d’un rover lunaire est accompagnée de nombreux obstacles et défis. Mais l’information qu’ils nous fourniront un jour sera cruciale pour aider les humains à se préparer pour aller vivre et travailler sur la Lune.
En savoir plus
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Références
Boyle, R. (2020, Oct. 22) Can a Moon base be safe for Astronauts? Scientific American
Bridgestone (2019, April 11) Bridgestone Lunar Rover Tires Support International Space Exploration Mission
Canadian Space Agency (CSA) (2022, Nov. 16) First Canadian Rover to Explore the Moon
Jet Propulsion Laboratory (2021, Nov. 4) A CADRE of mini-rovers navigates the lunar terrain of SLOPE
Jones, A, Barry, C., Vogel, T. (n.d.) Overview: Inside and Out NASA Science Earth’s Moon
Keller, J. (2021, June 28) The evolving world of radiation-hardened electronics for space Military Aerospace
NASA JPL California Institute of Technology (2020, Oct. 13) This Transforming Rover Can Explore the Toughest Terrain
NASA (2022, Jan 6) Artemis Moon Rover’s Wheels are Ready to Roll
NASA Mars Exploration Rovers (n.d.) The Rover’s Temperature Controls
Tabor, A. (2018, Aug. 20) Ice Confirmed at the Moon NASA
Taylor, D.A. (2021, July 16) Solar-Powered Moon Rovers will Help Scientists Seek Lunar Ice Astronomy
Tonn, S. (2018, Dec. 7) How do we Build Electronic Materials that can Survive Radiation? Stanford Engineering