Lunar Prospector

Lunar Prospector en salle blanche est ici fixée au sommet d'un étage à propergol solide Star 37 chargé de l'injecter sur sa trajectoire lunaire.

Avec l'achèvement du programme Apollo (1972), la NASA abandonne l'étude de la Lune et se tourne vers l'exploration d'autres planètes du système solaire. Durant près de 20 ans les laboratoires qui avaient à leur disposition de nombreux échantillons de roches lunaires ramenées par les équipages du programme Apollo, durent se baser sur les cartes établies par les missions Lunar Orbiter pour resituer ces roches dans un contexte géologique et minéralogique global. Ce n'est qu'au début des années 1990 que l'agence spatiale américaine s'intéresse de nouveau à la Lune. La NASA lance en 1994 la sonde spatiale Clementine dont les caméras cartographient la surface de la Lune dans 11 longueurs d'onde entre l'ultraviolet et le proche infrarouge. La sonde spatiale identifie des traces d'eau, découverte à l'origine du projet Lunar Prospector. La mission repose sur un concept imaginé en 1988 qui consiste à identifier les éléments chimiques présents à la surface de la Lune en analysant le rayonnement gamma, les neutrons et les rayons alpha émis. Cette méthode doit permettre de trouver l'eau éventuellement stockée dans les zones des cratères plongés en permanence dans l'obscurité[2].

La mission est proposée pour le programme Discovery qui regroupe des missions d'exploration du système solaire caractérisées par un objectif ciblé et un coût inférieur à 150 millions US$ (1992) et temps de développement très court. Lunar Prospector est sélectionné. Elle sera la mission la moins coûteuse du programme : le projet a coûté 62,8 millions de dollars, dont environ 34 millions de dollars pour le développement, environ 25 millions pour le véhicule de lancement et près de 4 millions pour les opérations[3]. Le développement est lancé fin février 1995 et la sonde spatiale est lancée moins de trois ans après avoir été sélectionnée[2].

L'objectif principal de la mission est d'étudier les caractéristiques chimiques, magnétiques et gravitationnelles de la Lune. À cet effet, la sonde est placée en orbite lunaire à 100 km d’altitude[4].

Lunar Prospector est un cylindre trapu de 1,3 m de longueur et 1,4 m de diamètre pesant 296 kg dont 156 kg d'ergols (hydrazine). Sa surface est recouverte de 2640 cellules solaires qui fournissent 220 watts. Une batterie nickel-cadmium de 5 ampères-heures fournit l'énergie lorsque la sonde spatiale circule dans l'ombre de la Lune. Trois perches espacées de 120° et longues de 2,5 mètres sont fixées perpendiculairement à la surface du cylindre. Elles supportent les capteurs des 6 instruments. L'une des antennes est prolongée de 1,1 mètre et à son extrémité est fixé le capteur du magnétomètre. Le cylindre est prolongé par une antenne moyen gain et bas gain en forme de cône qui dépasse de l'axe de cylindre de 1,6 mètre. Les dimensions hors tout résultantes sont de 4,1 mètres en hauteur et 7,5 mètres en envergure. La sonde est spinnée c'est-à-dire qu'elle est stabilisée par rotation autour de son axe à la vitesse de 12 tours par minute. Cette orientation est déterminée à l'aide d'un capteur solaire et 6 petits moteurs-fusées brûlant de l'hydrazine et ayant une poussée de 22 newtons sont utilisés pour la modifier. La sonde spatiale dispose de 137,7 kilogrammes pour s'insérer en orbite et contrôle sa trajectoire qui fournissent un delta-V de 1430 m/s. Pour réduire son coût, la sonde spatiale ne dispose d'aucun ordinateur embarqué et elle se contente d'enregistrer et d’exécuter la séquence de commandes envoyées depuis la station de contrôle au sol. Les données sont transmises en temps réel au sol sauf lorsque la Lune masque la Terre. Les données sont alors stockées provisoirement dans une mémoire permanente qui permet de conserver 53,3 minutes d'enregistrement. Les données sont transmises avec un débit de 3600 kilobits par seconde en bande X[2]^,[5].

La sonde spatiale Lunar Prospector emporte cinq instruments[6] :

• le spectromètre à neutrons NS (Neutron Spectrometer) permet de détecter les neutrons qui sont projetés lorsque les rayons cosmiques frappent le sol lunaire
• un deuxième spectromètre GRS (Gamma Ray Spectrometer) analyse le rayonnement gamma pour déterminer la composition du sol lunaire.
• le troisième spectromètre APS (Near Infrared Camera Alpha Particle Spectrometer) permet de détecter les particules alpha générées par la radioactivité du radon et du polonium afin et ainsi d'identifier l'apparition d'éventuels séismes.
• un magnétomètre MAG et un réflectomètre d’électrons ER (Electron Reflectometer) sont utilisés pour dresser une carte du faible champ magnétique de la Lune.

Enfin l'expérience DGE (Doppler Gravity Experiment) utilise les variations de la vitesse de transmission des ondes radio entre la sonde spatiale et la Terre (détectées en mesurant l'effet Doppler) pour déterminer la distribution des masses au sein de la Lune à l'origine des variations du champ de gravité lunaire.

• Instruments scientifiques de Lunar Prospector
• 
  Réflectomètre à électrons ER.
• 
  Spectromètre particules alpha.
• 
  Spectromètre gamma.

Décollage de la fusée emportant Lunar Prospector.

Lunar Prospector est lancée le 6 janvier 1998 par une fusée Athena II depuis la base de lancement de Cape Canaveral. Elle s'insère sur une orbite polaire autour de la Lune à une altitude de 100 kilomètres et commence la collecte des données. Le spectromètre à neutrons confirme la présence de quantités significatives d'eau au niveau des pôles de la Lune. La mission primaire a une durée de 1 ans. Elle est prolongée de 7 mois supplémentaires à compter de janvier 1999. L'altitude de la sonde spatiale est d'abord abaissée à 30 kilomètres puis à 10 kilomètres de la surface. Initialement il était prévu que la sonde spatiale s'écrase sur la surface une fois qu'elle avait épuisé son carburant. Les plans furent changés pour tenter de confirmer la présence d'eau dans les régions polaires. La sonde spatiale est volontairement écrasée dans un cratère situé près du pôle sud choisi parce qu'on supposait que de l'eau s'y trouvait. Mais aucune eau ne fut détectée dans le panache créé par l'impact[7].

Deux sondes lunaires, LCROSS et LRO, seront lancées en juin 2009 et établiront que de l'eau est bien présente dans les cratères.

Lunar Prospector a détecté des traces d'hydrogène, au fond des cratères qui ne sont jamais éclairés par le soleil, qui pourraient indiquer la présence d'eau. Les scientifiques de la NASA ont manœuvré la sonde pour qu'elle s'écrase sur la Lune afin de détecter la présence d'eau sous forme de vapeur. Cependant, les observations n'ont pas permis de trouver d'eau dans les débris observés à distance. L'impact était peut-être trop faible pour vaporiser l’eau. Lunar Prospector a pu aussi étudier la croûte de la Lune pour examiner la composition du sol lunaire. L'analyse du rayonnement gamma a permis de cartographier la distribution du titane et du fer et d'autres éléments soit abondants soit présents à l'état de trace. La distribution d'un matériau lunaire baptisé KREEP ainsi que de la majorité des roches lunaires a pu être également établie. La carte du champ magnétique dressée à l'aide des instruments de Lunar Prospector montrent que le champ magnétique est élevé aux antipodes de Mare Imbrium et Mare Serenitatis. Elle a permis de mettre en évidence la plus petite magnétosphère jamais détectée. La carte du champ gravitationnel lunaire dressée à l'aide des instruments a mis en évidence 7 nouvelles anomalies et a démontré que la Lune avait un petit noyau riche en fer de 300 kilomètres de diamètre[8].

• Résultats
• 
  Carte des concentrations de thorium réalisée à l'aide du spectromètre gamma de Lunar Prospector.
• 
  Carte du champ gravitationnel de la Lune. Le champ de gravité est plus élevé dans les régions en rouge et plus faible dans les régions colorées en bleu.
• 
  Carte du champ magnétique de la Lune établie avec l'instrument ER.