Une mission de retour d'échantillons martiens est une mission spatiale qui a pour objectif la collecte d'échantillons de sol martien et leur retour sur Terre à des fins d'analyse. Ce type de mission est classé en tête des priorités de l'exploration du Système solaire par les scientifiques depuis une trentaine d'années. Seuls des échantillons du sol de Mars, soigneusement sélectionnés sur place pour leur intérêt potentiel en disposant du contexte géologique, permettront une fois ramenés sur Terre, d'effectuer des analyses poussées grâce aux équipements lourds qui n'existent que sur notre planète et ainsi de fournir des informations permettant de retracer l'histoire de Mars et de déterminer si la vie a existé et sous quelle forme.

Ce type de mission peine cependant à se concrétiser du fait de son coût ( de dollars selon certaines estimations), des défis techniques qu'il soulève (fusée martienne, rendez-vous orbital sans intervention humaine) et des risques d'échec élevés. Plusieurs scénarios ont fait l'objet d'études plus ou moins poussées à partir des années 1980, mais aucune ne parvint à déboucher sur une réalisation. En 2009, un projet conjoint de la NASA et de l'Agence spatiale européenne (ESA), nécessitant le développement de trois missions distinctes, est élaboré pour ramener d'échantillons martiens sur Terre. Mais ce programme est suspendu à la suite d'arbitrages budgétaires effectués par l'agence spatiale américaine.

La mission de retour d'échantillons redevient d'actualité avec la décision de la NASA, annoncée fin 2012, de développer : cet astromobile posé en sur le sol martien est chargé d'effectuer la première étape de la mission de retour d'échantillons : doté d'instruments permettant d'analyser la géologie de son site d'atterrissage soigneusement sélectionné, il doit extraire une quarantaine de carottes du sol et constituer un dépôt qu'une mission suivante sera chargée de ramener sur Terre. Au cours des années suivantes, la NASA mène des études pour affiner les étapes suivantes. Courant 2020, la récupération de ces échantillons, qui doit se dérouler entre 2026 et 2031, entre dans une phase d'étude avancée au sein de la NASA avec une participation importante de l'Agence spatiale européenne. Un budget est prévu pour poursuivre les travaux dans les deux agences spatiales. Le scénario du projet américano-européen prévoit le lancement quasi simultané de deux missions en 2026 : un engin spatial sous maîtrise d’œuvre de la NASA, SRL (), doit déposer sur le sol martien à la fois un astromobile chargé d'aller rechercher les échantillons collectés par et une petite fusée qui doit les ramener en orbite dans un container. Un deuxième engin spatial sous maîtrise d’œuvre de l'Agence spatiale européenne, ERO (), se place en orbite autour de Mars, réalise en 2028 un rendez-vous avec la fusée ramenant le conteneur en orbite, puis revient vers la Terre et largue une capsule avec conteneur lors du survol de celle-ci en 2031. Après un atterrissage en douceur, les échantillons sont analysés dans un laboratoire spécialement conçu pour éviter tout risque de contamination.

La Chine a décidé en 2021 de développer également une mission de retour d'échantillons martiens qui serait lancée vers 2028 avec un retour des échantillons sur Terre prévu en 2030.

Enjeux scientifiques Apport d'une mission de retour d'échantillons

Une mission qui réaliserait le retour d'échantillons du sol martien sur Terre présente de nombreux avantages par rapport aux missions scientifiques utilisant des robots équipés de mini-laboratoires embarqués comme Mars Science Laboratory : faute de pouvoir miniaturiser les instruments les plus puissants (microscope électronique), ceux-ci ne sont disponibles que sur Terre ; certaines manipulations ne peuvent être automatisées ; le retour d'échantillons sur Terre permet de recommencer les analyses au fur et à mesure des progrès des outils d'investigation.

Les progrès dans l'étude de la planète Mars sont désormais conditionnés par une mission de retour sur Terre d'échantillons du sol martien. Aussi le rapport Planetary Science Decadal Survey rédigé en 2011 par la commission chargée d'établir les plans à long terme de la recherche spatiale planétaire, donne la priorité la plus forte à ce type de mission.

Objectifs détaillés

Le rapport du groupe de travail international réuni en à l'initiative du IMEWG () a défini de la manière suivante les objectifs d'une mission de retour d'échantillons : Interpréter les processus géologiques et l'histoire qui ont abouti aux formations géologiques de Mars avec une emphase sur le rôle de l'eau : Caractériser les variations d'une séquence stratigraphique de roches sédimentaires martiennes Comprendre un ancien système hydrothermal par l'étude des produits de la minéralisation et les apparences morphologiques. Comprendre les roches et minéraux issus de réservoirs d'eau souterrains profonds. Comprendre les interactions entre l'eau, les roches et l'atmosphère qui se produisent en surface et comment ces processus ont évolué dans le temps. Déterminer la pétrogenèse des roches ignées martiennes d'un point de vue à la fois temporel et spatial. Identifier et interpréter l'éventuelle histoire biologique de Mars, notamment en identifiant la présence de la vie dans les échantillons de sol ramenés sur Terre : Analyser et caractériser les molécules comprenant du carbone dont éventuellement le produit d'une chimie pré-biotique et organique. Rechercher la présence de signatures biologiques produits par d'anciens organismes vivants dans des environnements à la fois propices à l'apparition de la vie et ayant préservé ces indices. Estimer la possibilité qu'une forme de vie détectée soit encore présente ou l'ait été il y a peu. Déterminer la chronologie de l'évolution de Mars : Reconstituer l'histoire de Mars en tant que planète, déterminer les processus ayant affecté ses origines et les modifications de la croûte, du manteau et du noyau. Déterminer et mesurer les dangers potentiels de l'environnement martien pour les futures missions d'exploration humaine et pour la biosphère terrestre. Evaluer la nature et la distribution des ressources qui pourraient être exploitées par les futures missions spatiales.

Contraintes techniques et financières Scénario « tout en un »

Les premiers scénarios de retour d'échantillons martiens étudiés sont simples. Ils sont une copie du scénario suivi par la sonde spatiale soviétique pour ramener un échantillon de sol lunaire. L'ensemble des opérations est mené par un engin unique qui ne nécessite qu'un seul lancement. Arrivé à proximité de Mars, l'engin spatial effectue une rentrée atmosphérique directe sans se placer en orbite, puis se pose sur Mars. L'atterrisseur comprend un système permettant de recueillir un échantillon du sol à proximité immédiate du site où s'est posée la sonde spatiale (l'atterrisseur n'est pas mobile) et une fusée pour le trajet du retour. L'échantillon de sol est prélevé et stocké dans un conteneur situé au sommet de la fusée Lorsque les positions de la Terre et de Mars permettent le transit entre les deux planètes, soit un an et demi après l'atterrissage, la fusée décolle, s'arrache à l'attraction martienne, puis utilise sa propulsion pour se diriger vers la Terre. Arrivée à proximité de la Terre, la sonde spatiale libère une petite capsule qui contient le conteneur à échantillons et dont le rôle est de permettre à celui-ci de survivre au pic de chaleur tout en effectuant un atterrissage en douceur et de précision.

Mais Mars présente de grandes différences avec la Lune : elle est plus éloignée et nécessite donc plus de carburant à l'aller comme au retour, sa gravité est deux fois plus importante, ce qui pénalise fortement le retour en orbite martienne et la durée de la mission s'étale obligatoirement sur deux ans, du fait de l'éloignement de Mars et de la Terre qui ne permet d'aller de l'une à l'autre que tous les deux ans.

+Scénario tout en un : comparaison des principaux éléments dimensionnant une mission de retour d'échantillon « tout en un » depuis la Lune et Mars Etape Lune Mars ImpactLancement vers Lune/Mars Delta-V : Delta-V : Puissance du lanceur terrestreAtterrissage Delta-V : Recours au freinage atmosphérique Delta-V : quelques centaines m/s Pour Mars contrainte de masse à l'atterrissage (< ~ )Mise en orbite Delta-V : Delta-V : Puissance du lanceur utilisée pour le retourInsertion sur une trajectoire de retour Delta-V : Delta-V : Quantité d'ergols nécessaireRentrée atmosphérique vitesse de rentrée : vitesse de rentrée : Épaisseur (masse) du bouclier thermiqueDurée de la mission quelques semaines ≥ 2 ans Résistance (longévité) des équipements, du lanceur utilisé pour le retour, source d'énergie sur Mars

Contraintes sur la masse à l'atterrissage sur Mars

La présence d'une atmosphère autour de Mars permet d'utiliser les forces de traînée pour faire chuter la vitesse d'arrivée. Mais la densité très faible de l'atmosphère de Mars (1 % de celle de la Terre) la place [?], pour le scénario de descente. Les contraintes techniques actuelles limitent à une tonne la masse qui peut être posée sur MarsR. Braun et R Manning .

Scénarios impliquant plusieurs missions

Le scénario de la mission unique, retenu lors des premières études, se heurte d'une part aux contraintes de masse des engins envoyés vers Mars par les lanceurs les plus puissants et d'autre part à la masse maximale qui peut être posée sur Mars avec les techniques maîtrisées (environ 1 tonne au maximum). Aussi les missions récentes étudiées par la NASA impliquent le lancement de trois sondes spatiales distinctes : un rover qui est déposé sur le sol martien et qui est chargé d'identifier les échantillons de sol intéressants, de les prélever et de les conditionner. un engin qui transporte à la fois un rover et une fusée. Le rover va rechercher les échantillons préparés par la mission précédente, puis les transporte jusqu'à la fusée qui décolle et se place sur une orbite basse autour de la planète. un engin de type orbiteur qui vient se placer sur une orbite basse martienne, puis réalise un rendez-vous avec la fusée remontant depuis la surface de Mars. Le conteneur contenant les échantillons de sol est transféré dans l'orbiteur, puis celui-ci quitte l'orbite martienne et entame son retour sur Terre. Lors du survol de celle-ci, une capsule contenant les échantillons est larguée. Elle pénètre dans l'atmosphère terrestre et atterrit en douceur dans une région désertique.

Coût

Le scénario de la NASA élaboré en 2009 (développé plus loin), comportant trois lancements, est évalué à environ de dollars américains, soit plus de trois fois le coût d'une mission flagship comme MSL : de dollars américains pour le rover Perseverance () chargé d'identifier les zones géologiques intéressantes, d'effectuer les carottages et de conditionner les échantillons (ce coût a été réévalué à de dollars en 2020). de dollars pour l'orbiteur chargé de récupérer le conteneur à échantillons, puis de le convoyer jusqu'à la Terre. de dollars pour l'ensemble déposé sur le sol martien, comprenant un rover chargé de récupérer le conteneur à échantillons, le mini-lanceur chargé de la placer en orbite martienne et l'équipement permettant les opérations de lancement. de dollars pour le laboratoire à haute sécurité créé sur Terre, dans lequel seront entreposés et étudiés les échantillons.

Projets avortés

Premiers projets : suite du programme soviétique Mars

Les Soviétiques envisagent dès les années 1970 des missions de retour d'échantillons martiens. Mais elles se heurtent à de trop nombreux obstacles et ne se concrétisent pas. La première version, les missions Mars 4NM et 5NM, très lourdes, nécessitent le lanceur super lourd N-1 qui n'a jamais volé avec succès et est annulé en 1974.