Les logiques scientifiques de la mission Luna-25

En août 2023, depuis le cosmodrome de Vostochny, le lanceur Soyouz-2.1b avec l'étage supérieur Fregat devrait lancer la première station automatique Luna-25 de l'histoire moderne de la Russie vers le satellite naturel de la Terre. Elle devrait effectuer un atterrissage en douceur à proximité du pôle sud de la Lune pour étudier le régolithe et l'exosphère lunaires. Le service de presse de l'Institut de recherche spatiale (IKI) de l'Académie des sciences de Russie (RAN) a préparé les informations ci-dessous sur les raisons de la reprise de l'exploration lunaire.

Luna-25 est la première station d'atterrissage russe d'une nouvelle génération à étudier la Lune. Quelle est sa nouveauté ?

Si l'on remonte au XXe siècle, lorsque les premiers programmes d'exploration lunaire sont lancés par les stations soviétiques de la série Luna (atterrissages de 1966 à 1976), les engins American Surveyor (de 1966 à 1968) et les missions d'atterrissage du programme habité américain Apollo (débarquements de 1969 à 1972), alors toute la surface de notre satellite naturel était une terra incognita pour l'humanité et l'ensemble était très intéressant à étudier. Par conséquent, lors de la planification des missions, nous avons d'abord analysé où il serait possible d'atterrir la station, en fonction des restrictions techniques et balistiques, et les sites intéressants ont déjà été choisis dans ces zones.

Une approche similaire peut être observée dans le programme lunaire chinois, qui est déjà mis en œuvre dans notre siècle (atterrissages réussis en 2013, 2018 et 2020). Les créateurs de la station israélienne Beresheet (accident en 2019) et de la japonaise Hakuto-R (accident en 2023) ont également abordé la conception de stations basées sur ce concept.

Pour la mission Luna-25, dès le début, la tâche a été définie - atterrir dans la région polaire de la Lune, et la station a commencé à être développée pour la résoudre. Qu'y a-t-il d'intéressant dans le pôle de la lune ?

Au début du siècle dernier, notre exceptionnel compatriote Konstantin Tsiolkovsky dans l'histoire "Out of the Earth" a prédit que "de vastes couches d'eau et d'atmosphère solidifiées" pourraient s'accumuler dans les régions polaires de la Lune. L'heure est aux recherches spatiales lunaires, et déjà sur la base des premiers résultats obtenus à la fin du siècle dernier, l'hypothèse a été émise qu'il pourrait y avoir de la glace dans les régions circumpolaires de la Lune.

Là, en raison d'une caractéristique étonnante - l'alignement perpendiculaire presque parfait de l'axe polaire de la Lune par rapport à la direction du Soleil - au fond des cratères polaires, il existe des zones d'ombre éternelle où les rayons du Soleil ne regardent jamais. Si des molécules d'eau pénètrent dans ces "pièges à froid", il leur sera difficile d'en sortir.

Mais pour confirmer cette hypothèse, il a fallu explorer la Lune à l'aide de satellites en orbite polaire. Cette orbite nécessite une quantité importante d'énergie, et tous les premiers véhicules et engins spatiaux interplanétaires ont été lancés sur des orbites avec une inclinaison plus faible. Leurs instruments ne pouvaient pas observer les pôles lunaires.

Après l'achèvement du programme soviétique d'étude de la Lune par le vol de la station Luna-24 en 1976, les scientifiques de l'URSS se sont concentrés sur les programmes d'exploration de Vénus et de Mars. Il y avait un seul projet lunaire LSN (Lunar Scientific Satellite) pour créer un satellite lourd de la Lune en orbite polaire. Bien que les travaux aient avancé très loin, le vol n'a pas eu lieu.

L'hypothèse de la présence de glace dans les régions polaires de la Lune a été rappelée après le lancement en 1994 du modeste Clementine Lunar Orbiter (NASA). Il a été mis en orbite polaire. Dans le cadre de l'expérience visant à étudier le signal radio réfléchi par la Lune, plusieurs cas ont été enregistrés lorsque le signal réfléchi par les pôles était fortement polarisé. Cela indiquait indirectement la possibilité de réflexion des ondes radio de la couche de glace. Les résultats obtenus ont soulevé de nombreuses questions sur la conception de l'expérience - un effet similaire n'a pas été observé sur les radiotélescopes au sol - mais ils ont donné une impulsion puissante à d'autres études de cette hypothèse.

En janvier 1997, le petit vaisseau spatial suivant Lunar Prospector de la NASA est allé dans l'espace. Il n'avait même pas de caméra, sa tâche principale était d'étudier la géologie de la Lune depuis l'orbite, notamment en testant l'hypothèse de la présence de glace à la surface des pôles lunaires.

Les données du spectromètre à neutrons ont montré que le flux de neutrons épithermaux provenant de la surface lunaire diminue de manière significative aux pôles. Les neutrons lunaires sont des particules secondaires qui se forment dans la couche supérieure de la surface lunaire en raison du bombardement par les rayons cosmiques galactiques. La décroissance du flux de neutrons épithermaux aux pôles indique qu'avant d'être rayonnés depuis la surface, les neutrons formés ont le temps de perdre sensiblement leur énergie - de ralentir. Le modérateur de neutrons le plus efficace est l'hydrogène, et le composé chimique le plus susceptible de contenir de l'hydrogène dans le matériau lunaire est les molécules d'eau. Ainsi, l'hypothèse de l'existence de pergélisol glacé aux pôles lunaires a reçu une autre confirmation.

À la fin de la mission, le Lunar Prospector a été désorbité et "lâché" sur l'un des cratères près du pôle sud de la lune, mais aucune trace de vapeur d'eau n'a pu être détectée dans le nuage montant de poussière de régolithe.

Les données sur les neutrons du Lunar Prospector étaient des preuves indirectes plutôt que directes de la présence de glace d'eau aux pôles. Au début de notre siècle, il est devenu clair qu'il y avait probablement de la glace aux pôles, mais on ne savait pas combien et où exactement. L'opinion la plus populaire était que la glace d'eau ne pouvait exister que dans des "pièges froids" au fond de cratères ombragés en permanence près du pôle.

Une partie importante du travail d'élucidation des propriétés des pôles lunaires a été effectuée sur la première sonde indienne Chandrayaan-1 en 2008-2009.

La mesure du spectre du rayonnement infrarouge de la surface polaire de la Lune a montré la présence d'une raie spectrale de molécules d'eau. Ainsi, il a été prouvé expérimentalement que l'hydrogène polaire, dont la concentration accrue dans la substance polaire a été indiquée par des mesures de neutrons, est bien associé à des molécules d'eau. La prédiction prophétique de Konstantin Tsiolkovsky a été confirmée : il y a de la glace d'eau aux pôles lunaires. Ainsi, un nouvel objet de recherche est apparu dans l'astronautique moderne - la "Nouvelle Lune" polaire.

Plus tôt que d'autres, la NASA a réagi à ce fait. Une demande a été émise pour une sélection compétitive ouverte d'instruments scientifiques pour le satellite de cartographie polaire lourd Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), dont le but était l'étude la plus détaillée des pôles lunaires, y compris la cartographie détaillée du flux de neutrons, afin de clarifier les questions pratiques les plus importantes sur la glace lunaire : où et combien ? Cette demande a été répondue par l'équipe russo-américaine, qui a réussi à prendre forme dans les années 1990 lors de l'exploration conjointe de Mars dans le cadre du projet Mars Odyssey de la NASA.

Il a été proposé de créer un télescope à neutrons à IKI RAN et de mener conjointement avec lui une expérience spatiale sur la cartographie neutronique de la Lune. Dans une lutte concurrentielle, l'appareil, qui a reçu le nom-abréviation LEND (LAND), a été sélectionné pour participer au projet, et déjà dans les premiers mois d'observations en 2009, des résultats importants ont été obtenus.

Premièrement, il a été constaté que la glace d'eau se trouve sous une couche de régolithe sec dans des zones qui ne sont pas nécessairement dans des cratères ombragés en permanence, et deuxièmement, que la majeure partie de la glace se trouve dans le cratère polaire sud de Cabeus.

Le fait que LAND ait observé de la glace d'eau dans ce cratère, et pas seulement des minéraux contenant de l'hydrogène, a été confirmé dans le projet LCROSS LRO de la NASA. Ayant quitté la Terre avec LRO, ce complexe spatial attendait sur une orbite lunaire de longue période la désignation de cible par ce dernier. Lorsque cette désignation de cible a été reçue, l'étage supérieur Centaur a été envoyé au cratère Cabeus en tant que percuteur, et l'appareil scientifique du complexe LCROSS a volé après avoir traversé la substance éjectée et a réussi à effectuer son analyse avant sa propre mort.

Dans le nuage artificiel de matière lunaire qui s'est élevé après l'impact, des molécules d'eau ont été trouvées. Les estimations ont montré qu'il y avait beaucoup d'eau dans la substance de Cabeus - environ 5% en poids.

Les régions polaires sont donc devenues intéressantes d'un point de vue pratique. La présence d'eau y facilitera grandement à la fois les vols habités et la création d'une base habitable. Par conséquent, les programmes lunaires des États-Unis et d'autres membres du "club spatial" visent les régions polaires du sud.

L'Organisation indienne de recherche spatiale (ISRO) a été la première à tenter de faire atterrir une station dans la région circumpolaire. Malheureusement, l'atterrisseur de la station Chandrayaan-2, lancé en 2019, s'est écrasé. La nouvelle sonde Chandrayaan-3, lancée sur la Lune le 14 juillet de cette année, devrait également atterrir dans la région polaire en y arrivant le 23 août [Il va y avoir du monde fin août au Pôle Sud de la Lune!...]

Le prochain lancement sera le lancement de Luna-25 également en août.

Beaucoup de travail a été fait pour sélectionner la zone d'atterrissage de Luna-25. La région circumpolaire est assez complexe en termes de relief. Compte tenu des exigences de pente, ainsi que d'éclairage et de possibilité de communication avec la Terre, il n'a été possible de trouver que onze zones candidates appropriées, dont trois ont été sélectionnées. Ils sont les plus prometteurs en termes de recherche d'eau, sont régulièrement éclairés par le Soleil et répondent aux exigences techniques du relief.

La nouvelle station russe a beaucoup emprunté aux missions soviétiques. Pour le lancer, la fusée porteuse Soyouz-2.1b avec l'étage supérieur Fregat est utilisée - un parent de la fusée Molniya-M, qui à un moment donné a envoyé de nombreuses stations interplanétaires dans l'espace. Parmi eux figurent Luna-9 (1966), la première station de l'histoire à atterrir sur la Lune et à transmettre des panoramas de sa surface, et Luna-10 (1966), le tout premier satellite artificiel de la Lune.

L'équipement scientifique de la station Luna-25 est un ensemble d'instruments fonctionnant sur des principes physiques différents, mais visant principalement à étudier le sol lunaire et à y rechercher des composés volatils, principalement de l'eau. De plus, les instruments devront étudier l'environnement poussiéreux et l'exosphère ionique de la lune polaire.

Un programme de recherche très sérieux est prévu dans le projet Luna-25, conçu pour l'année terrestre (pour 12 "lunaisons" - c'est ainsi que l'on appelle les jours lunaires). Et ce n'est que le début. 

Après Luna-25, Luna-26, un satellite de la Lune, dont le lancement est prévu en orbite polaire, devrait partir dans l'espace. 

Suivra ensuite Luna-27 - une station d'atterrissage plus complexe avec une plate-forme de forage qui pourra prélever du sol à une profondeur d'environ un mètre et le transférer vers des instruments analytiques pour étude, puis Luna-28, qui devrait fournir un sol polaire à la Terre, et avec la préservation de toutes les substances volatiles qu'elle contient.

En conclusion, il convient de répondre à la question fréquemment posée : pourquoi est-il nécessaire de créer une base habitable coûteuse à la surface de la Lune ? Tout cela n'est pas pour l'eau - il y a suffisamment d'eau sur Terre.

Après tout, les États-Unis ainsi que l'Europe, la Chine et l'Inde ont maintenant des projets de vols automatiques et habités vers le pôle sud de la Lune. Les États-Unis ont même désigné une première zone d'atterrissage, et elle coïncide avec l'une des zones candidates choisies pour Luna 27.

La réponse est simple : bien que le nombre de missions lunaires réussies se compte par dizaines, nous ne connaissons toujours pas assez bien la géologie de la lune, en particulier la géologie des pôles lunaires. La "Nouvelle Lune" contient dans sa substance de l'eau cosmique gelée et des composés volatils apportés par les comètes et les astéroïdes depuis l'espace interplanétaire. Cela signifie que les chercheurs sont «assurés» de découvertes inattendues.

L'eau polaire est la ressource naturelle la plus importante pour les systèmes de survie des futures stations lunaires visitées, pour le développement "sur place" des composants de carburant des fusées pour les futures expéditions interplanétaires. On peut dire avec un haut degré de certitude que la zone proche du pôle Sud à la fin de ce siècle deviendra la partie la plus peuplée de la Lune - le nouveau septième continent extraterrestre de la civilisation terrestre.

Bien sûr, tout cela est dans le futur, mais vous devez y penser maintenant. Et la nouvelle station d'atterrissage lunaire russe "Luna-25" devrait devenir le "premier signe" de l'étude pratique et de l'exploration de la Lune.

Source: Roscsosmos; Crédits d'illustration: Roscosmos et IKI RAN

On pourra aussi consulter la page suivante: https://iki.cosmos.ru/missions/luna-25