Le bras robotisé RA

Le bras robotisé RA (en anglais Robotic Arm) est fournie par le Jet Propulsion Laboratory. Construit en alliage de titane et d'aluminium et long de 2,35 mètres, le bras robotique permet à Phoenix de creuser dans le sol jusqu'à 50 centimètres de profondeur au moyen d'une petite pelle fixée à son extrémité, d'y récolter des échantillons et de les transférer vers d'autres instruments en vue d'être analysés. Il dispose de quatre degrés de liberté et peut exercer une force de 80 newtons^[8].

La caméra du bras robotisé RAC

Caméra RAC installée sur le bras robotisé.

La caméra du bras robotisé RAC (Robotic Arm Camera) est fournie par l'Université de l'Arizona et l'Institut Max Planck. Montée à l'extrémité du bras elle comprend une multitude de petites LED de couleurs permettant de prendre des images avec un éclairage rouge, bleu ou vert. La lentille était protégée de la poussière par un cache transparent amovible. Cette caméra a réalisé des images des échantillons collectées par la pelle à partir du sol. Elle n'a finalement pas réalisé d'image des parois des tranchées creusées par le bras, ni pu être déplacée à proximité de roches voisines pour examiner leur texture^[9].

L'imageur stéréo SSI

La caméra SSI.

L'imageur stéréo SSI (en anglais Surface Stereo Imager) constitue les yeux de l'atterrisseur. Il dérive d'un instrument emporté par les sondes Mars Pathfinder et Mars Polar Lander, mais il a été amélioré grâce à des capteurs haute résolution similaires à ceux des astromobiles américains Spirit et Opportunity, la caméra SSI a pu prendre des images stéréoscopiques en couleurs du site d'atterrissage, pratiquement à hauteur d'homme (2 mètres au-dessus de la surface martienne). L'Instrument est réalisé par l'Université de l'Arizona^[10].

Des roues à filtres permettent à la caméra d'observer dans 12 longueurs d'onde différentes (du violet au proche infrarouge) le sol, le ciel et le soleil. Les panoramas réalisés ont permis de caractériser la géologie du site d'atterrissage, d'identifier les minéraux des roches et du sol, et de réaliser des cartes permettant de définir les déplacements du bras robotique. En se tournant vers le ciel, la caméra a pu étudier les nuages constitués de cristaux de glace d'eau ainsi que la poussière en suspension dans l'atmosphère martienne (en jaugeant l'atténuation de la lumière du soleil par les particules de poussière)^[10].

L'analyseur de gaz TEGA

L'analyseur de gaz TEGA.

L'analyseur de gaz TEGA (en anglais Thermal and Evolved Gas Analyzer) est un instrument fourni par l'université de l'Arizona et par l’université du Texas. Il comprend des petits fours et un spectromètre de masse. Cet instrument permet d'analyser les échantillons de sol et de glace collectés par le bras robotique. Le TEGA de Phoenix a des caractéristiques proches de l'appareil du même nom embarqué sur la sonde Mars Polar Lander, et est le premier instrument à rechercher de composés organiques dans le sol martien depuis les sondes Viking en 1976^[11].

Pour analyser un échantillon de sol le bras robotique creuse une petite tranchée de quelques centimètres dans le sol dans laquelle un échantillon de sol est prélevé. Celui-ci est photographié par la caméra du bras robotique puis déposé dans l'un des 8 fours du TEGA (leur taille est approximativement celle d'une petite cartouche d'encre). Une diode LED permet de confirmer qu'un échantillon de sol a bien été déposé. L'échantillon est alors porté à très haute température (environ 1 000 °C) de manière progressive. Bien qu'alimenté uniquement par des panneaux solaires, le TEGA peut atteindre une telle température, car la masse de l'échantillon à chauffer était très faible (100 milligrammes environ). Lors du chauffage progressif, l'échantillon libère de l'eau et du CO₂, ainsi que diverses substances volatiles emprisonnées dans les différents minéraux qu'il contient. L'identification des substances volatiles est effectué grâce à un spectromètre de masse très sensible qui peut mesurer précisément la masse (et donc la nature) ainsi que la concentration des substances libérées au cours du chauffage. Une fois utilisé, un four ne peut plus servir. TEGA joue également le rôle d'un calorimètre, étant donné que l'énergie à fournir pour porter les fours à une certaine température est contrôlée. En tout et pour tout, TEGA doit analyser 8 échantillons de sol^[11].

La caméra de descente MarDI

La caméra de descente MarDI.

La caméra de descente MarDI (en anglais Mars Descent Imager), développée par la société californienne par Malin Space Science Systems doit réaliser des images grand angle et en couleurs du site d'atterrissage lors de la descente vers la surface martienne, un peu comme la caméra DIMES des astromobiles Spirit et Opportunity. MARDI devait entrer en fonctionnement juste après l'éjection du bouclier thermique et prendre 20 images de la région située en dessous d'elle. Grâce à ces données, les scientifiques devaient être à même de caractériser géologiquement le site d'atterrissage et de construire un modèle numérique en 3D de l'endroit où Phoenix allait travailler. Malheureusement, une erreur de programmation a forcé les ingénieurs de la NASA à déprogrammer la caméra. Aucun cliché ne fut donc pris durant la descente^[12].

L'analyseur microscopique et électrochimique MECA

L'analyseur microscopique et électrochimique MECA (en anglais Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer) est un Instrument réalisé par le Jet Propulsion Laboratory, l'Université de Neuchâtel et l'Université de l'Arizona. L'expérience MECA est un petit laboratoire destiné à analyser de nombreuses propriétés du sol martien. Elle comprend trois instruments^[13] :

• un petit laboratoire humide qui mesure de nombreuses propriétés du sol, comme le pH, le potentiel d'oxydo-réduction, la salinité (magnésium, sodium, chlore, brome et sulfates), l'acidité ou l'alcalinité, ou encore les concentrations en oxygène et dioxyde de carbone.

Le laboratoire comprenait quatre petits béchers où avaient lieu les mesures. Après qu'un échantillon de sol était collecté par le bras robotique et déversé dans le bécher, ce dernier était mélangé à une solution, puis agité, et ce durant une journée environ. Des électrodes mesuraient la présence et la concentration de différents solutés. L'expérience se terminait avec l'ajout de deux pastilles réactives. La première pastille libérait de l'acide pour détecter d'éventuels carbonates et mesurer des espèces uniquement solubles en milieu acide. La seconde pastille devait permettre de détecter des sulfates et des molécules oxydantes ;

• le second instrument est un ensemble de deux microscopes qui étudient les particules de sol à différents grossissements ;
  • le premier microscope, un microscope optique comme il en existe dans toutes les salles de TP, possédait une résolution de 4 microns par pixel. Des diodes électroluminescentes colorées (rouge, verte, bleue et ultraviolet) éclairaient les échantillons, ce qui permettait de faire ressortir les différents constituants du sol (particules minérales, glace d'eau, etc.) ;
  • le second microscope était plus impressionnant que le premier : c'était un microscope à force atomique. Contrairement aux microscopes optiques ou électroniques, un microscope à force atomique n'étudie pas la matière en la voyant, mais plutôt en la touchant. Le principe d'un microscope à force atomique est assez simple : l'appareil utilise un capteur extrêmement petit (que les spécialistes appellent des pointes) pour sentir la surface d'un échantillon et en construire une représentation en 3D très précise. Baptisé FAMARS, ce microscope à force atomique devait permettre d'étudier le sol à l'échelle nanométrique, et devait observer des particules aussi petites que 10 nm. L'instrument comportait huit petites pointes attachées à des leviers très flexibles. Si un capteur était contaminé ou endommagé durant la mesure, un autre pouvait prendre sa place. Lorsque les huit capteurs étaient utilisés, le microscope à force atomique ne pouvait plus fonctionner. FAMARS fut le premier microscope à force atomique jamais envoyé sur Mars.

• Le laboratoire chimique MECA
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  Schéma de fonctionnement d'un des laboratoires humides LWC.
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  Photo d'un des WLC.
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  Les quatre WLC.

Avant d'être examinés par les microscopes optiques et à force atomique, les échantillons collectés par le bras robotique sont déposés sur un porte-échantillon aux caractéristiques particulières : une roue mobile portant 69 supports différents, depuis des aimants jusqu'à des plaques collantes, des plaquettes pour déterminer la dureté, des fragments de textiles et de métaux, etc. Ce système permettait de générer différentes interactions entre les particules de sol et les substrats ;

• le dernier instrument du package MECA est une sonde permettant d'étudier la conductivité thermique et électrique du sol. Celle-ci était fixée sur la pelle du bras robotique et était enfoncée dans la tranchée creusée par le bras robotique.

L'expérimentation MECA était auparavant montée sur la sonde Mars Surveyor 2001. L'un des objectifs de cette mission était de préparer la venue de l'homme sur Mars, en déterminant les dangers potentiels de la surface martienne. Le package MECA devait notamment servir à caractériser la poussière, identifier les interactions indésirables avec les hommes et les systèmes électroniques (adhésion, abrasion, corrosion, toxicité, obstruction, radiations, courts-circuits) et permettre le design des systèmes d'habitations et des combinaisons spatiales pour les sorties extravéhiculaires (EVA). Il n'est pas certain que ces objectifs, décrits en détail ici, soient encore d'actualité, et ce malgré le projet d'exploration spatiale du président George Bush visant un retour sur la Lune et une exploration humaine de la planète rouge. Le seul objectif lié aux missions habitées semble être l'étude de la teneur en eau du sol par spectrométrie à neutrons qui pourrait alors être extraite et utilisée par l'équipage.

La station météorologique MET

Penon de mesure du vent de la station météorologique MET photographiée 2 jours après l'atterrissage.

La station météorologique MET (Meteorological Station) est un instrument fourni par l'Agence spatiale canadienne. Elle comprend des capteurs de pression et de température ainsi qu'un lidar, instrument similaire à un radar mais utilisant des brèves émissions de lumière laser en lieu et place des impulsions d'ondes radio. Phoenix est la première station météorologique installée dans la région polaire nord de Mars. La majorité des capteurs de température sont montés sur un mât de 1,2 mètre de hauteur. Les capteurs de pression étaient quant à eux logés à l'intérieur de l'atterrisseur. Le système météorologique recueillit également les données provenant des thermocouples rivetés sur le bras robotique. Le lidar se trouvait au-dessus du corps de l'atterrisseur et a servi à étudier les aérosols atmosphériques ainsi que les nuages de glace. Son fonctionnement est un peu similaire à celui du radar. Il émet des impulsions d'énergie et détecte leur écho lorsqu'elles sont réfléchies par différents obstacles. Contrairement au radar, le Lidar n'émet pas d'ondes radio, mais des impulsions de lumière laser (2 500 impulsions de lumière par seconde dans le proche infrarouge). Une diode laser envoya des flashs lumineux dont le retour fut chronométré de manière à localiser et à caractériser les nuages de glace et la poussière dans l'atmosphère martienne sur une courte distance (2 à 3 kilomètres). L'objectif principal de cet instrument était de déterminer la quantité de poussière en suspension dans l'atmosphère au-dessus du site d'atterrissage^[14].

Déploiement et mise en marche des instruments

Vue d'ensemble de l'atterrisseur utilisant le bras robotique pour creuser une tranchée dans le sol (vue d'artiste).

Panneau solaire de la sonde Phoenix et bras robotique de l'atterrisseur avec un échantillon dans le godet.

Dans l'hémisphère nord de Mars c'est la fin du printemps. Le solstice d'été est prévu le 25 juin. Dans cette région située à une latitude élevée (> 68°) le Soleil ne se couche jamais : le premier coucher de Soleil est prévu début septembre. Les panneaux solaires sont déployés 15 minutes après l'atterrissage pour donner le temps à la poussière de se déposer. Les panneaux solaires doivent permettre d'une part, de fournir de l'énergie aux instruments scientifiques et aux équipements du bord, mais également de maintenir la température des équipements de la sonde qui ne seraient pas capables de résister au froid ambiant. Les premières images sont envoyées deux heures après l'atterrissage une fois que les panneaux solaires ont commencé à recharger les batteries de l'atterrisseur. Le lendemain (sol 2)^[20], divers instruments sont déployés dont le bras robotisé. Le 30, la caméra située à l'extrémité du mât télescopique articulé observe le sol entre les pieds de la sonde^[21] : le souffle des rétrofusées ayant permis l'atterrissage a soulevé le sable, mettant à nu un matériau dur et clair, présentant localement des mini-cavités arrondies. Il s'agit vraisemblablement d'une plaque de glace. Peu après se mettent en place le mât météorologique et la caméra stéréo qui transmettent les premières images du site. Le paysage est le moins spectaculaire découvert sur Mars : uniformément plat, recouvert de petits cailloux et de sillons formant des structures polygonales qui s’étendent jusqu’à l’horizon. Déjà repérés par les sondes orbitant autour de Mars, ces polygones sont provoqués par l'alternance du gel et du dégel en cette région polaire^[22].

Recueil des données scientifiques

Les ingénieurs ayant vérifié que tous les systèmes répondent normalement, le 2 juin, le bras télécommandé creuse une tranchée pour amener des échantillons dans les mini-laboratoires. Les photos montrent qu'une partie du sable adhère à la pelle^[23]. Le 6 (sol 9), Phoenix approfondit cette première tranchée (baptisée d'abord Knave of Hearts puis Dodo) et observe, au fond, une substance très claire^[24]. Une deuxième tranchée (Baby Bear) est ensuite creusée à droite de la première^[25]. Du 8 au 11 (sols 11 à 14), l'un des huit mini-fours, couplé à l'analyseur TEGA (Thermal and Evolved-Gas Analyzer) est rempli. Le 11, le bras robotisé livre au microscope des particules. Elles ont été extraites du sol grâce à un adhésif au silicone sur lequel elles restent collées. Les premiers résultats sont publiés le 12. Le 13 (sol 16), Phoenix creuse une nouvelle tranchée près des deux précédentes, de 35 cm de long, 22 cm de large et 8 cm de profondeur. L'ensemble sera appelé Dodo-Goldilocks. La substance blanche qui affleure sous le sol pulvérulent orange est toujours présente. Le 17 (sol 20), Phoenix creuse une nouvelle tranchée, Snow White, au centre de l'un de ces polygones qui caractérisent le sol.

Les 18 et 19, des problèmes de saturation de la mémoire informatique font perdre des données d'imagerie : celles concernant les résultats de la première analyse, grâce au mini-four TEGA, sont perdues. Le 20, la NASA publie deux images de Dodo-Goldilocks prises exactement avec le même angle de prise de vue et le même éclairement. Elles ont été prises respectivement les 15 et 19 juin. La substance blanche visible au fond de cette triple tranchée semble avoir légèrement diminuée. Le fait qu'elle se soit sublimée au fil de ces quatre jours exclut une nature saline. Les scientifiques en concluent qu'il s'agit de glace carbonique. Le 31 juillet (sol 34), cette hypothèse est confirmée grâce à l'analyse d'un échantillon prélevé et qui émet de la vapeur au contact de la chaleur. Durant toute sa période de vie, Phoenix creuse d'autres tranchées (La Mancha, Neverland, Cupboard, Pet Donkey...) (cf. la photo de Cupboard au sol 79 ^[26]), ce qui l'oblige à déplacer plusieurs quantités de terre (cf. la photo prise au sol 134 montrant un tas de cailloux résultant de la tranchée Pet Donkey^[27]). Ses activités se poursuivent durant plusieurs semaines, révélant la venue d'un hiver qui va mettre fin à ses activités (cf. par exemple une photo prise au sol 144 montrant le givre recouvrir la tranchée Snow White ^[28]). La sonde transmet sa dernière image durant le sol 151 : on y voit une fine couche de givre recouvrir l'ensemble du paysage^[29].

Fin de la mission

L'hiver martien est particulièrement rigoureux au niveau des pôles sur Mars comme sur la Terre à cause de la baisse importante du niveau d'éclairage et de la brièveté des jours. Le 27 octobre une tempête de poussière non prévue sévit sur la région et les batteries ne peuvent être rechargées ce qui fait passer l'atterrisseur en mode survie. À partir du 28 octobre, les panneaux solaires ne peuvent plus fournir assez d'énergie à la sonde pour lui permettre de fonctionner de manière normale et certaines résistances chauffantes sont désactivées pour permettre au minimum de faire fonctionner la caméra et la station météorologique afin de recueillir des données sur les premières manifestations de l'hiver et étudier la formation des dépôts glace de dioxyde de carbone. Faute de chauffage, la mise en œuvre de la pelleteuse est arrêtée. La température mesurée descend la nuit jusqu'à -100 °C tandis qu'en journée des nuages de glace et les tempêtes de poussière modérées réduisent la luminosité et donc l'énergie fournie par les panneaux solaires. Pour éviter l'épuisement complet des batteries au cours de la nuit, tous les équipements non indispensables sont éteints. Le 2 novembre, 152^e jour de la mission, Phoenix envoie son dernier signal à la Terre^{[30],[31],[32]}.

Au cours du mois suivant les orbiteurs tentent de reprendre contact avec l'atterrisseur. La dernière tentative est effectuée le 30 novembre par Mars Odyssey. La sonde spatiale est considérée officiellement comme perdue, bien qu'un « mode Lazare », permettant de redémarrer l'électronique de la sonde au terme de l’hiver martien, ait été prévu. L'orbiteur Mars Reconnaissance Orbiter prend des photos du site d'atterrissage au début de l'été 2009. De nombreuses tentatives de réveil de la sonde spatiale sont effectuées par les orbiteurs martiens entre janvier et mai 2010 correspondant au solstice d'été. Aucune réponse n'est obtenue. Des photos prises par MRO montrent l'absence d'ombre sous l'un des deux panneaux solaires, indiquant que celui-ci s'est sans doute brisé au cours de l'hiver sous le poids de la glace de dioxyde de carbone qui s'est déposée. Toute trace du parachute a également disparu^[33],[32].