L’atterrisseur Vikram de l’ISRO (Indian Space Research Organisation), équipé d’un rétroréflecteur de la NASA, s’est posé sur la Lune le 23 août 2023. La caméra à bord du LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) de la NASA a pris cette photo quatre jours plus tard. L’atterrisseur est au centre de l’image, son ombre sombre visible sur le halo lumineux qui l’entoure. Le halo formé après l’interaction du panache de fusée avec le régolithe à grain fin (semblable au sol) à la surface de la Lune. L’image montre une zone de 1 mile ou 1,7 kilomètre de large. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA/Arizona State University
L’expérience laser de la NASA et de l’ISRO sur la Lune ouvre de nouvelles possibilités pour une exploration lunaire précise et l’utilisation de rétroréflecteurs innovants dans les missions à venir.
Pour la première fois sur la Lune, un faisceau laser a été transmis et réfléchi entre un objet en orbite NASA vaisseau spatial et un appareil de la taille d’Oreo sur l’atterrisseur Vikram de l’ISRO (Organisation indienne de recherche spatiale) sur la surface lunaire. Cette expérience réussie ouvre la porte à un nouveau style de localisation précise de cibles à la surface de la Lune.
Technique de localisation lunaire précise
À 15 heures HNE Le 12 décembre 2023, le LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) de la NASA a pointé son altimètre laser vers Vikram. L’atterrisseur se trouvait à 62 milles, soit 100 kilomètres, de LRO, près du cratère Manzinus dans la région du pôle Sud de la Lune, lorsque LRO a transmis des impulsions laser vers lui. Après que l’orbiteur ait enregistré la lumière qui avait rebondi sur un minuscule rétroréflecteur de la NASA à bord du Vikram, les scientifiques de la NASA savaient que leur technique avait enfin fonctionné.
Le rover Pragyaan a capturé cette image du Vikram Lander le 30 août, avant que la nuit lunaire ne l’enveloppe dans son obscurité glaciale. Crédit : ISRO
Envoyer des impulsions laser vers un objet et mesurer le temps nécessaire à la lumière pour rebondir est un moyen couramment utilisé pour suivre l’emplacement des satellites en orbite autour de la Terre depuis le sol. Mais selon les scientifiques, l’utilisation de la technique inverse – pour envoyer des impulsions laser d’un vaisseau spatial en mouvement à un autre stationnaire pour déterminer sa position précise – a de nombreuses applications sur la Lune.
Rétroréflecteurs révolutionnaires
« Nous avons montré que nous pouvons localiser notre rétroréflecteur à la surface depuis l’orbite de la Lune », a déclaré Xiaoli Sun, qui a dirigé l’équipe du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, qui a développé le rétroréflecteur sur Vikram dans le cadre d’un partenariat. entre la NASA et l’ISRO. « La prochaine étape consiste à améliorer la technique afin qu’elle puisse devenir une routine pour les missions qui souhaitent utiliser ces rétroréflecteurs à l’avenir. »
D’une largeur de seulement 2 pouces, ou 5 centimètres, le réseau de rétroréflecteurs laser de la NASA est doté de huit prismes en forme de cube de quartz placés dans un cadre en aluminium en forme de dôme. Cette configuration permet à l’appareil de réfléchir la lumière provenant de n’importe quelle direction vers sa source. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA
D’une largeur de seulement 2 pouces ou 5 centimètres, le rétroréflecteur minuscule mais puissant de la NASA, appelé Laser Retroreflector Array, comporte huit prismes cubiques en coin de quartz placés dans un cadre en aluminium en forme de dôme. Selon les scientifiques, l’appareil est simple et durable, ne nécessitant ni alimentation ni entretien, et peut durer des décennies. Sa configuration permet au rétroréflecteur de réfléchir la lumière provenant de n’importe quelle direction vers sa source.
Applications polyvalentes et potentiel futur
Les rétroréflecteurs peuvent être utilisés pour de nombreuses applications en science et en exploration et sont en effet utilisés sur la Lune depuis l’ère Apollo. En réfléchissant la lumière vers la Terre, les rétroréflecteurs de la taille d’une valise ont révélé que la Lune s’éloigne de notre planète à un rythme de 1,5 pouces (3,8 centimètres) par an.
Cette nouvelle génération de minuscules rétroréflecteurs a encore plus d’applications que leurs prédécesseurs plus grands. Sur le Station spatiale internationaleils sont utilisés comme marqueurs de précision qui aident les vaisseaux spatiaux de livraison de marchandises à s’amarrer de manière autonome.
À l’avenir, ils pourraient par exemple guider les astronautes d’Artemis vers la surface dans l’obscurité, ou marquer l’emplacement des engins spatiaux déjà à la surface, aidant ainsi les astronautes ou les engins spatiaux sans équipage à atterrir à côté d’eux.
Rendu artistique du Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA
Défis et prochaines étapes
Mais il reste encore du travail à faire avant que les rétroréflecteurs puissent éclairer la Lune. Le plus grand obstacle à leur adoption immédiate est que l’altimètre de LRO, qui a fonctionné pendant 13 ans au-delà de sa mission principale, est pour l’instant le seul instrument laser en orbite autour de la Lune. Mais l’instrument n’a pas été conçu pour localiser une cible ; depuis 2009, l’altimètre – baptisé LOLA – est chargé de cartographier la topographie de la Lune pour préparer les missions à la surface.
« Nous aimerions que LOLA pointe vers cette cible de la taille d’Oreo et la frappe à chaque fois, ce qui est difficile », a déclaré Daniel Cremons, un scientifique Goddard de la NASA qui travaille avec Sun. Il fallut huit tentatives à l’altimètre pour entrer en contact avec le rétroréflecteur de Vikram.
LOLA fonctionne en envoyant cinq faisceaux laser vers la Lune et en mesurant le temps qu’il faut à chacun pour rebondir (plus la lumière revient rapidement, moins la distance entre LOLA et la surface est grande, et donc plus l’élévation dans cette zone est élevée). Chaque faisceau laser couvre une zone de 32 pieds ou 10 mètres de large, à partir d’une altitude de 62 milles ou 100 kilomètres. En raison des grands espaces entre les faisceaux, il n’y a qu’une faible chance que l’impulsion laser puisse entrer en contact avec un rétroréflecteur lors de chaque passage de l’orbiteur lunaire au-dessus de l’atterrisseur.
Les altimètres sont parfaits pour détecter les cratères, les roches et les rochers afin de créer des cartes d’élévation globale de la Lune. Mais ils ne sont pas idéaux pour pointer à un centième de degré près d’un rétroréflecteur, ce qui est nécessaire pour obtenir un ping de manière constante. Un futur laser qui ratisse lentement et continuellement la surface sans aucune lacune dans la couverture aiderait les minuscules rétroréflecteurs à atteindre leur potentiel.
Pour l’instant, l’équipe à l’origine des rétroréflecteurs miniatures de la NASA continuera à utiliser l’altimètre laser de LRO pour affiner la position des cibles à la surface, en particulier des atterrisseurs.
Extension des outils d’exploration lunaire
Plusieurs rétroréflecteurs de la NASA devraient voler à bord d’atterrisseurs lunaires publics et privés, dont un sur l’atterrisseur SLIM de la JAXA (Agence japonaise d’exploration aérospatiale), qui doit atterrir sur la Lune le 19 janvier 2024, et un autre construit par Intuitive Machines, une entreprise privée. devrait lancer son vaisseau spatial vers la Lune à la mi-février. Intuitive Machines transportera six charges utiles de la NASA, y compris le rétroréflecteur, dans le cadre de l’initiative Commercial Lunar Payload Services (CLPS) de la NASA.
