Au calme pendant la tempête : sur Mars, Curiosity se réveille…

A gauche, image de l’éruption solaire du février vue par le coronographe du satellite Soho.
A droite, le dernier autoportrait de Curiosity avant la panne informatique du février 2013.
Crédit image NASA.

Coup de barre sur Mars : ça repart !

« Operations have resumed » : les opérations ont repris…

C’est sur Twitter que le Jet Propulsion Laboratory (JPL) a donné les dernières nouvelles du rover Curiosity sur Mars :

« Storm's a-comin'! There's a solar storm heading for Mars. I'm going back to sleep to weather it out » (message du 7 mars à 12h52)

« That all you got Sun? The solar storm was less energetic than predicted so no sleeping in tosol. Operations have resumed » (message du 8 mars à 4h44 UTC, avec un jeu de mots "tosol" au lieu de today)

Ceux qui suivent de près les activités du robot Curiosity sur Mars, en particulier en consultant les images transmises chaque jour et mises en ligne sur le site du JPL, savent que MSL a connu une panne de son calculateur de bord le 27 février 2013 : il n’y avait plus de mise en jour depuis cette date.

Le 8 mars au matin, le message des équipes de Pasadena rassurait les passionnés.

Curiosity a un vilain défaut... Passager, on l'espère !

Quelques explications sur cet épisode qui semble être la première grosse difficulté, en tout cas rendue publique et, espérons-le, passagère, rencontrée par le rover martien. Jusqu’à présent, la réussite des principales étapes de la mission pouvait donner l’impression d’un long fleuve tranquille : atterrissage exceptionnel sur Mars en août 2012, il y a exactement 7 mois, premier bilan de santé, première images et mise en route successive des instruments, tout semblait facile : une semaine plus tôt, Curiosity avait encore réalisé une première dans l’exploration planétaire en récupérant le premier échantillon provenant d'une roche sédimentaire percée par sa foreuse dix jours avant. L'échantillon avait été ensuite placé dans CheMin (Chemistry and Mineralogy), le laboratoire embarqué de chimie et de minéralogie.

Cet épisode nous rappelle que l’environnement spatial est un milieu difficile, plutôt hostile pour les équipements électroniques et pour les humains. Quelques explications aident à comprendre cet environnement et les précautions que les concepteurs d’engins spatiaux prennent pour assurer leur fiabilité et leur survie…

Arrivée sur mars plus difficile que prévue

Ce n’est pas le bug de l’an 2000 mais c’est bien le 28 février (2013 est une année bissextile), la veille du 1er mars, que les contrôleurs de Curiosity ont procédé à la mise en veille de MSL (comme pour les satellites d’observation, on parle de « safe mode »), après avoir détecté un problème dans une des mémoires du calculateur du bord.

« Corrupted memory location » ? Mémoire corrompue : ceux qui ont connu les joies des premiers ordinateurs personnels se souviennent certainement des autotests de la mémoire qui se déroulaient avec une lenteur désespérante au démarrage de leur ordinateur…

Les deux dernières images transmises par MSL. A gauche, celle de la Hazcam avant. A droite celle
de la Hazcam arrière. Les images ont été acquises le 27 février 2013 (Sol 200). Crédit image : NASA

Mars patraque : un robot à ménager…

La NASA a remis Curiosity en fonction sur son second calculateur samedi 2 mars 2013 et commencé à communiquer avec la terre avec l’antenne à grand gain dimanche.

Pas de chance, pendant cette période, les scientifiques en charge du « Space weather », la météorologie spatiale, signalaient une éruption solaire significative, avec un risque de pic de radiations sur Mars. Par précaution, les équipes responsables, du rover MSL, dirigées par Richard Cook, ont décidé de le remettre hors tension : « We're being more careful. » Paradoxalement, la mise au repos de Curiosity ne permet pas d’utiliser son instrument de mesure de radiation… Selon Richard Cook : « It's just bad timing ».

Aside and beside: le cerveau d’à côté remplace le cerveau mis de côté

C’est bien d’avoir deux cerveaux… et de n’en utiliser qu’un seul. Le second reste en réserve en cas de fatigue excessive du premier. Le jeudi 28 février, à 10h30 UTC, Curiosity a donc été mis en « safe mode » et le basculement entre les deux calculateurs a été effectué.

MSL a deux calculateurs, les « Rover Compute Element (RCE) », appelés « A-side » et « B-side », installés dans le corps du robot, qui communiquent avec l’ensemble des équipements électroniques à travers ce qu’on appelle un « bus ».

Chaque calculateur a une mémoire vice de 256 MB (DRAM) et une mémoire flash de 2GB. Comme sur une clé USB, la mémoire flash joue le rôle de disque dur : elle conserve les données même quand le robot n’est pas sous tension.

Il semble que ce soit la mémoire flash du calculateur A-side qui pose problème.

Pour les curieux, les ordinateurs de Curiosity sont des RAD750, commercialisés par la société anglaise BAE depuis une dizaine d'années. Le RAD750 est conçu pour supporter des conditions exceptionnelles, telles que des températures extrêmes et des niveaux de radiations importants. Il est construit autour du processeur PowerPC 750 cadencé à 200 MHz qui équipait les Apple PowerBook G3 à la fin des années 90.

Opérations critiques à distance

Eteindre un ordinateur et en rallumer un deuxième, cela paraît simple. Sauf quand on fait cette opération à distance, et même à très grande distance puisque Mars se trouve actuellement à envrion 353 millions de kilomètres de la Terre ! Les commandes envoyées depuis Pasadena et les informations transmises par Curiosity mettent près de 21 minutes pour parcourir cette distance. Pour les ingénieurs, cette permutation de calculateurs est bien une opération critique.

En poursuivant l’analogie avec les ordinateurs personnels, pensez au jour où votre disque dur s’est « crashé ». Bien sûr, vous aviez une sauvegarde de toutes les données importantes. Mais quand vous avez mise en service le PC flambant neuf, vous avez passez un certain temps à reconnecter l’imprimante, le scanner, la livebox, etc.

C’est pareil pour Curiosity : pour que le second calculateur (B-side) puisse remplacer celui qui a donné des signes de défaillances (A-side), il faut connecter à distance les périphériques. Sur Mars, ce sont tous les équipements qui commandent le mât équipé de Chemcam et des Mastcam, le bras et sa foreuse, etc. Il faut également indiquer au nouveau calculateur toutes les informations utiles : la position du mât, du bras robotisé, etc.

B-side a déjà été utilisé, en partie pendant le voyage de la Terre à Mars.

En rade à cause des rads ?

Le 5 mars, l'ordinateur A-Side a été remis sous tension pour identifier l'origine de la panne. On sait que la panne concerne la mémoire Flash de l’unité centrale principale mais la cause exacte reste actuellement indéterminée : la NASA n’a encore donné aucune explication détaillée.

Une hypothèse possible, à confirmer, est que des particules très énergétiques, des « rayons cosmiques » aient pu endommager la mémoire de l'ordinateur.

Les composants électroniques sont des composants spéciaux choisis pour supporter l’environnement de radiations, pendant le voyage entre la Terre et Mars et pendant la mission à la surface de Mars.

Quelle que soit la cause de la panne, il est intéressant de comprendre ce que sont ces radiations, leurs variations pendant le voyage et à la surface de Mars (atmosphère et rotation de la planète) et comment on s’en protège.

Particules à haute énergie : des nuances de Gray

Les illustrations suivantes sont des courbes publiées par la NASA sur les doses de radiations reçues par MSL pendant son voyage vers Mars et depuis que Curiosity opère à la surface de la planète rouge.

Les deux premières courbes sur fond noir montrent l’évolution du flux de radiation mesuré par MSL pendant son périple entre la Terre et Mars de décembre 2011 à août 2012. Les données sont celles de l’instrument RAD (Radiation Assessment Detector) de Curiosity. Elles sont exprimées en unités de flux de particules par centimètre carré par seconde par stéradian. Les pics correspondent à des éruptions solaires en février, mars et mai 2012. La structure protégeant MSL pendant la phase de croisière et de descente sur mars (bouclier thermique et bouclier arrière) joue le rôle de blindage et réduit considérablement le flux de particules mesuré au niveau du rover.

On peut s’en rendre compte avec la courbe du bas est un extrait centré sur le pic solaire du mois de mars 2012. Une seconde mesure, la courbe tracée en rouge, donne les mesures d’un instrument du satellite ACE (Advanced Composition Explorer) de la NASA : le spectromètre solaire à isotope. Les mesures fournies par ACE donnent une référence externe à MSL: supérieures de plusieurs ordres de grandeur aux mesures de RAD à l’intérieur du robot martien, elles montrent l’efficacité du blindage.

Evolution du flux de radiation pendant le voyage de MSL entre la Terre et Mars et comparaison avec
des mesures effectuées par la sonde ACE. Crédit image : NASA / JPL-Caltech / SWRI

Les trois courbes suivantes concernent les variations des radiations après l’atterrissage sur Mars.

La première courbe permet de comparer sur quelques jours (plus exactement quelques sols martiens) le niveau de radiations mesuré par le rover Cusiosity et la pression atmosphérique martienne : ils varient en sens inverse. Quand son épaisseur augmente, l’atmosphère constitue une protection plus efficace contre les radiations. La courbe en rouge représente le flux de radiations de particules chargées et non chargées (protons et neutrons par exemple) toujours mesuré par l’instrument RAD. Les points bleus représentent la pression atmosphérique mesurée par la station de mesure de l’environnement de Curiosity. Les échelles ont été ajustées pour que les courbes tiennent sur le même graphique. Les données correspondent à la période du 26 août 2012 (21ème sol) au 1er septembre 2012 (26ème sol). Ce sont des variations à court terme (une semaine environ).

La deuxième courbe met en évidence des variations à moyen terme (50 sols) entre le 15 août 2012 et le 6 octobre 2012), liées à l’évolution du plasma véhiculant les protons et les neutrons. La courbe noire correspond aux particules chargées, la rouge au total (particules chargées et non chargées). Les variations dépendent ici de la structure de l’héliosphère, liées magnétiquement au soleil et tournant avec une période d’environ 27 jours. C’est cette période qui est matérialisée sur ces courbes.

MSL - Curiosity - Radiation dose rate - Mars sruface

Evolution du flux de radiation mesuré par l’instrument RAD de Curiosity avec des variations à
court terme et à moyen terme. Crédit image : NASA / JPL-Caltech / SWRI

La dernière courbe donne les mesures effectuées le jour suivant l’atterrissage de MSL sur Mars, entre 2h24 et 5h54 UTC le 7 août 2012, dans une période d’activité solaire plutôt calme. Elle montre l’effet de protection de l’atmosphère et de la planète rouge avec des niveaux moyens mesurés sur Mars au moins deux fois inférieurs au niveau mesuré pendant le voyage entre la Terre et Mars (le vaisseau était alors exposé aux radiations dans toutes les directions. Il y a néanmoins une série de pics, correspondant à des ions lourds, les plus dangereux pour les astronautes et les composants électroniques.

Flux de radiation mesuré par Curiosity (instrument RAD) pendant les premières heures suivant
l’atterrissage sur Mars et comparaison avec le flux moyen pendant le voyage vers Mars.
Crédit image : NASA / JPL-Caltech / SWRI

Les mesures de radiation sont exprimées ici en valeur relative : les calibrations sont en cours pour donner des valeurs absolues. Sachez que même si, dans le système international, l’unité de radiation est le Gray, les américains continuent à utiliser couramment le Rad.

Pour information, l’instrument RAD mesure 26 types de particules chargées, ainsi que les neutrons et les rayons gamma. Si vous voulez en savoir plus sur ces radiations et les unités de mesure, lisez cet article publié à l’occasion de l’accident à la centrale nucléaire de Fukushima au Japon.

Avril sans fil : c’est mieux que cela arrive en Mars…

Un point rassurant : la panne est intervenue à un moment où les communications sont possibles entre la Terre et Mars. A partir d’avril, le soleil va s’intercaler entre les deux planètes, empêchant toute possibilité de communication pendant environ trois semaines…

D’ici là les responsables de la mission vont devoir prendre des décisions importantes selon les résultats des premières investigations : Faut-il essayer de rebasculer sur la calculateur défaillant pour disposer d’un ordinateur de secours, ou bien utiliser dorénavant le calculateur B-side pour poursuivre la mission, sans nouvelle roue de secours ?

Retour à la source…

Pour terminer, pour les courageux qui sont restés jusqu’au bout de cet article, voici une vidéo produite à partir d’images du coronographe de la sonde Soho qui donne une idée de l’activité solaire entre le 26 et le 28 février 2013. On sent bien qu’il y a des choses qui se passent : ce sont les CME, Coronal Mass Ejection, ou éruptions solaires.

Séquence d’images du coronographe C2 (champ serré) de la sonde spatiale Soho entre le 26 et
le 28 février 2013. Crédit image : NASA / JPL-Caltech / SWRI

En savoir plus :

Les autres articles du blog Un autre regard sur la Terre sur la mission MSL :
Un article sur la radioactivité et les mesures de radiations : Japon, Tchernobyl... Pour en connaître un rayon sur la radioactivité : les unités de mesure des rayonnements et de leurs effets biologiques
Le site du Jet Propulsion Laboratory, les pages sur la mission MSL et la page où les images transmises par Curiosity sont régulièrement mises en ligne.