Le premier microphone sur Mars : contribution à la spectroscopie de plasma induit par laser et à la science atmosphérique

The first microphone on Mars : its contribution to Laser-Induced Breakdown Spectroscopy and atmospheric science

• Auteur / Autrice : Baptiste Chide
• Direction : Sylvestre Maurice, David Mimoun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 01/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département électronique, optronique et signal
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISAE-ONERA PSI Physique Spatiale et Instrumentation
• Jury : Président / Présidente : Michel Blanc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvestre Maurice, David Mimoun, Michel Blanc, Franck Montmessin, René Brennetot, Susanne Schröder, Alice Le Gall, Roger Wiens
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Montmessin, René Brennetot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie sur plasma induit par laser

Mars (planète)

Acoustique

Mots clés libres

Spectroscopie Induite par Laser (LIBS)

Acoustique

Rover Mars2020 Perseverance

Microphone Martien

SuperCam

Acoustic waves

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)

Mars Microphone

Mars2020 Perseverance rover

SuperCam

Résumé

Le 18 février 2021, l'astromobile de la NASA Perseverance se posera dans le cratère Jezero à la recherche de traces de vie passée. A son bord l'expérience franco-américaine SuperCam ne contient pas moins de quatre techniques spectroscopiques, une caméra haute résolution et un microphone. Ce microphone sera le premier à enregistrer des ondes acoustiques audibles à la surface de Mars entre 100 Hz et10 kHz. Il ouvrira un nouveau champ d'investigation qui fait l'objet de cette thèse. Les objectifs scientifiques de cette thèse s'organisent autour des sons qui seront audibles par ce microphone : les phénomènes atmosphériques dans l'environnement proche du véhicule et les bruits artificiels générés par SuperCam lui-même. Parmi ces derniers, la technique de la spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS) ablate les roches et les sols martiens avec un laser impulsionnel, ce qui produit un signal acoustique lors de la détente de ce plasma. Ce manuscrit propose une étude amont qui vise à caractériser le support du microphone à la LIBS et sa contribution à la science atmosphérique. Ces deux thèmes sont explorés expérimentalement en reproduisant en laboratoire les conditions d'écoute que le microphone rencontrera sur Mars.Premièrement, un banc de mesure LIBS sous atmosphère martienne est utilisé pour comparer le signal acoustique issu de l'ablation de différents minéraux. Une étude métrologique a déterminé la sensibilité de l'énergie acoustique par rapport aux paramètres expérimentaux de la LIBS : elle est proportionnelle à la pression atmosphérique et à l'éclairement déposé sur la cible. Ces relations permettront de normaliser le signal acoustique entre toutes les cibles échantillonnées par la LIBS sur Mars. De plus il est remarqué que la décroissance de l'énergie acoustique au cours d'une séquence de tirs est linéairement reliée au volume de la cavité d'ablation et que le taux de décroissance est corrélé à la dureté de la roche. Volume d'ablation et dureté seront deux informations utilisées pour caractériser les cibles de SuperCam et en particulier étudier celles présentant des vernis d'altération en surface.D'autre part, une campagne de tests dans une soufflerie martienne est effectuée pour corréler les propriétés d'un écoulement de vent avec le signal acoustique induit par ce dernier sur le microphone. Il est démontré que le microphone peut déterminer la vitesse de l'écoulement en étudiant le contenu basse fréquence du spectre, mais aussi sa direction en regardant le contenu haute fréquence. Ces résultats nécessiteront une calibration in situ sur Mars avec la station météo de Perseverance, MEDA. Il est également montré que la synchronisation du microphone avec le laser permet une mesure originale de la vitesse du son et donc de la température atmosphérique proche de la surface.Enfin, cette validation des objectifs scientifiques du microphone s'accompagne d'un soutien au développement instrumental du microphone, avec la validation de ses performances, la définition des modes d'observation et la préparation des opérations de SuperCam à la surface de Mars.

In February 2021 the Mars 2020 Perseverance rover will land in Jezero to search for traces of past life.Part of the Perseverance payload, the SuperCam instrument suite includes four spectroscopy techniques,a high resolution imager and a microphone. This microphone will be the first microphone to record audible acoustic waves on the surface on Mars between 100 Hz to 10 kHz. It will open a new field of investigation which is the subject of this thesis. The scientific objectives of this thesis are organized around the sounds that will be recorded by this microphone : atmospheric phenomena in the close vicinity of the rover and artificial noises generated by SuperCam itself. Among the latest, the laser-induced breakdown spectroscopy technique (LIBS) ablates Martian rocks and soils with a pulsed laser. It creates an acoustic signal due tothe expansion of this plasma. These two topics are experimentally explored thanks to the development of laboratory test benches that simulate the conditions likely to be encountered by the microphone on Mars.On the one hand a LIBS setup under Mars atmosphere is used to compare acoustic signal from several minerals. A metrological study of the sensitivity of the acoustic signal with respect to LIBS experimental parameters is conducted : the acoustic energy is proportional to the CO2 background pressure and to the irradiance deposited on the sample. These two relationships will help to normalize the acoustic signal from multiple LIBS targets on Mars. Moreover, it is noticed that the decrease of the acoustic energy along a LIBS burst is linearly linked to the ablated volume. The decrease rate is correlated to the rock hardness.It provides new information relative to the ablation process that is independent from the LIBS emission spectrum. It could be used to better characterize geologic targets and rock, in particular the ones with asurface coating or a weathering rind.On the other hand, a test campaign in a Martian wind tunnel is dedicated to link wind properties withwind-induced signal recorded by the microphone. It is demonstrated that the microphone can determinethe flow velocity by studying the low frequency range of the acoustic spectrum whereas the wind directioncan be retrieved by looking at the high frequency range. An in situ cross-calibration with the weather station on board Perseverance, MEDA, will be required to validate these results. It is also shown that the synchronization of the microphone with the LIBS laser can be used to measure the speed of sound and therefore to estimate the atmospheric temperature close to the surface of Mars.This work also describes some progresses in the microphone development including the performances' validation, the implementation of operating modes and the preparation of SuperCam operations at the surface of Mars.