L'exploration scientifique de la Lune made in Luxembourg

Plus de cinquante ans après le programme Apollo, la Lune est de nouveau au cœur de l'exploration spatiale. Ensemble avec des partenaires internationaux comme l'Agence spatiale européenne (ESA), la NASA souhaite, à travers le programme Artemis, envoyer à nouveau des êtres humains en direction de la Lune. Avant que de futures missions ne visent un alunissage, une équipe de quatre astronautes effectuera le tour de la Lune lors de la mission Artemis II. Cette mission doit surtout permettre de tester le vaisseau spatial, les systèmes et les procédures dans des conditions réelles.

Dans le monde entier, les regards sont désormais tournés vers la navette spatiale et l'équipage. Mais en coulisses, nombre d'instituts de recherche et d'entreprises travaillent depuis des années sur les technologies et les fondements scientifiques pour les futures missions sur la Lune. Au Luxembourg aussi. Le lancement de la mission Artemis II est donc aussi l'occasion de s'intéresser aux sujets et aux acteurs de l'exploration scientifique de la Lune au Luxembourg.

De façon générale : pourquoi entreprend-on des travaux d'exploration scientifique de la Lune ?

La Lune est bien plus qu'une destination nostalgique de l'exploration spatiale. Du point de vue scientifique, elle constitue une archive unique de la formation initiale de notre système solaire. Contrairement à la Terre, la Lune est dépourvue d'atmosphère et de tectonique des plaques active, et l'érosion y est pratiquement inexistante. Les traces d'impact, les formations rocheuses et les structures volcaniques ont ainsi été conservées pendant des milliards d'années. Les roches lunaires contiennent des indices sur la formation de la Terre et le développement des planètes internes, dont Mercure, Vénus et Mars, des points qui ne sont toujours pas entièrement élucidés à ce jour.

La découverte d'eau sur la Lune a donné un nouvel élan à la recherche au cours des dernières années. Des mesures issues de missions comme le Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA ainsi que des données de missions internationales précédentes montrent que les cratères durablement ombragés des régions polaires pourraient renfermer d'importantes quantités d'eau sous la forme de glace. Des analyses d'échantillons lunaires de la mission chinoise Chang'e-5 menée en 2020 apportent aussi des éléments en ce sens. L'eau présente un intérêt scientifique. Et c'est une ressource potentielle. Pour les missions à venir, elle constituerait une ressource vitale et une matière première pour le carburant de fusées.

La Lune se place ainsi de plus en plus au centre des projets d'exploration à long terme. Des programmes comme Artemis développent des technologies, des infrastructures et des processus opérationnels pour faire de la Lune un avant-poste investi de façon permanente par des êtres humains. Dans ce contexte, la Lune devient un terrain d'essai : dans des conditions de gravité réduite et de températures extrêmes, il est possible de tester des systèmes qui pourraient être utiles plus tard pour des destinations plus éloignées, comme Mars.

Outre la géologie et les ressources, la dimension technologique joue aussi un rôle central. La Lune oblige les systèmes spatiaux à fonctionner de manière fiable dans des conditions difficiles, telles que la poussière, le vide et de fortes variations thermiques. L'exploration scientifique de la Lune présuppose donc aussi le développement de technologies adaptées à des environnements extrêmes.

Pourquoi le Luxembourg participe-t-il à l'exploration scientifique de la Lune ?

Même si le Luxembourg ne lance pas lui-même de fusées, le pays occupe depuis des années une position stratégique dans le secteur de l'industrie spatiale internationale. La Luxembourg Space Agency (LSA) joue avant tout un rôle central dans l'exploration scientifique de la Lune. Elle établit les priorités stratégiques du Grand-Duché en matière spatiale. Et elle veille à ce que le Luxembourg soit intégré dans des programmes et des partenariats internationaux.

Grâce à sa participation aux programmes de l'ESA ainsi qu'à des coopérations avec des partenaires industriels, le pays prend part à de vastes projets d'exploration. L'exploration scientifique de la Lune devient ainsi un pilier stratégique d'une politique spatiale conçue sur le long terme.

Outre les connaissances scientifiques, l'accent est aussi mis sur les perspectives technologiques et économiques. Les innovations pour les conditions environnementales extrêmes, les nouveaux matériaux ou les systèmes autonomes peuvent trouver des applications au-delà du contexte spatial. Les projets sur la Lune ne servent ainsi plus seulement de champs de recherche, mais aussi de moteur d'innovation pour un site spécialisé et interconnecté à l'échelle mondiale.

Photo : Marc Serres (crédit : Luxembourg Space Agency)

Quels sont les acteurs de l'exploration scientifique de la Lune au Luxembourg ?

Au Luxembourg, plusieurs acteurs travaillent sur différents aspects de l'exploration scientifique de la Lune. Cela va de la recherche fondamentale au développement technologique, en passant par les applications commerciales. Les activités sont menées par des instituts de recherche publics, des centres d'innovation spécialisés et des partenaires industriels.

Le Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST) apporte principalement une expertise en analyse des matériaux et en recherche sur les ressources. On y étudie notamment des questions liées à la composition et l'utilisation des matériaux dont est constituée la Lune.

À l'Université du Luxembourg, plusieurs laboratoires se concentrent sur les composantes technologiques de futures missions, dont des systèmes de communication destinés à une utilisation spatiale ou des environnements de test pour des conditions extrêmes.

La LSA est le point de convergence opérationnel entre la politique, la recherche et l'industrie. L'agence spatiale nationale initie des programmes, accompagne des projets et coordonne la collaboration avec des partenaires internationaux, tels que l'ESA.

Le Centre européen d'innovation en ressources spatiales (ESRIC) joue un rôle central dans le domaine des ressources spatiales. Il est porté par la LSA, le LIST et l'ESA, se positionne comme une plateforme européenne de recherche et d'innovation autour de l'utilisation des ressources extraterrestres et regroupe les compétences correspondantes.

Avec ispace Europe, le Luxembourg accueille aussi un acteur industriel qui participe directement au développement de technologies, telles que de petits rovers pour une utilisation sur la Lune.

Ensemble, ces structures forment un écosystème en expansion qui relie les enjeux scientifiques, le développement technologique et la mise en œuvre industrielle.

Quels sont actuellement les principaux projets d'exploitation scientifique de la Lune au Luxembourg ?

Un rover développé au Luxembourg en route vers la Lune

L'entreprise ispace Europe a développé et mis au point le rover Tenacious au Luxembourg. Le véhicule est conçu pour opérer à la surface de la Lune et a été lancé dans l'espace en 2025 à l'occasion de la mission la plus récente. Même si l'alunissage a échoué, la mission était une étape importante pour ispace Europe.

« Le rover Tenacious, qui a été construit au Luxembourg, est le seul rover lunaire développé en Europe à avoir été envoyé dans l'espace à ce jour. Au cours du vol, toutes les vérifications des systèmes se sont déroulées avec succès », explique Philippe Ludivig, Senior Space Robotics Engineer chez ispace Europe et développeur de rovers de longue date. Il est notamment responsable des systèmes de caméras et de la navigation autonome du rover.

Le développement du rover a été cofinancé par la Luxembourg Space Agency dans le cadre d'un contrat de l'ESA au sein du programme spatial national LuxIMPULSE. Une partie du savoir-faire nécessaire a toutefois été développée lors de travaux de recherche antérieurs au Luxembourg. Ainsi, Philippe Ludivig a développé des outils pour le pilotage de petits rovers lunaires pendant sa thèse, pour laquelle il a bénéficié du soutien du Fonds National de la Recherche (FNR). Les connaissances acquises ont ensuite été intégrées dans le développement du rover Tenacious.

Bo Byloos, responsable du domaine Exploration and Science à la LSA, explique que de telles missions ne sont pas exceptionnelles pour l'agence spatiale. Elles s'inscrivent au contraire dans une stratégie à long terme. Ainsi, le Luxembourg travaille, dans le cadre de la Small Missions Initiative de l'ESA, avec ispace sur d'autres missions sur la Lune, lors desquelles des technologies d'exploration et d'utilisation des ressources doivent être démontrées directement à la surface.

Sur les traces de l'eau lunaire

Quelle quantité d'eau y a-t-il sur la Lune ? Et d'où provient-elle ? Veneranda Lopez Dias du LIST s'intéresse à ces questions. En tant que spécialiste de la physique des isotopes et de l'exohydrologie, elle étudie le comportement de l'eau à la surface de la Lune et dans l'exosphère lunaire ténue. En effet, contrairement à la Terre, la Lune n'est pas entourée d'une atmosphère dense, mais seulement d'une fine enveloppe gazeuse dans laquelle les atomes et les molécules entrent rarement en collision.

Veneranda Lopez Dias étudie le rapport entre l'eau lourde (D2O) et l'eau ordinaire (H2O), soit deux variantes chimiques de l'eau. On peut en déduire l'origine de l'eau. Elle pourrait provenir d'anciens processus volcaniques. Elle pourrait aussi avoir été transportée sur la Lune par des astéroïdes ou des comètes. Mais elle pourrait également résulter d'interactions avec le vent solaire.

Les régions polaires de la Lune présentent un intérêt particulier. Dans la pénombre permanente, les températures sont extrêmement basses. Cela pourrait avoir permis à la glace présente sous forme d'eau de se conserver pendant des milliards d'années. Ces zones sont considérées comme des archives du système solaire primitif. Elles constituent aussi une ressource potentielle pour les futures missions.

Au LIST, des systèmes expérimentaux sont développés pour simuler, dans des conditions lunaires, le comportement de l'eau présente sous forme de glace. Cela inclut des environnements sous vide et des températures très basses, comme on les trouve dans les régions polaires lunaires. La recherche combine des expériences en laboratoire et une modélisation théorique afin de mieux comprendre des processus tels que la sublimation, le stockage et la redistribution de l'eau. L'objectif est d'évaluer de manière réaliste la disponibilité de l'eau. Il s'agit d'une condition essentielle pour une présence robotique ou humaine à long terme sur la Lune.

Régolithe au laboratoire : des ressources issues de roches lunaires

L'ESCIC est aussi implanté au LIST. On y étudie les propriétés physiques et le comportement de la poussière lunaire dans des conditions lunaires. La couche meuble de roche broyée qui recouvre la surface de la Lune est appelée régolithe. Elle n'est pas seulement intéressante sur le plan scientifique. Elle est aussi considérée comme une ressource potentielle pour les futures missions.

Un exemple est le projet de recherche PARTICLE, qui étudie le comportement de particules fines en gravité modifiée. Dans le cadre d'une campagne de vols paraboliques de l'ESA, des expériences en microgravité ont été réalisées. La manière dont la poussière est transportée, se dépose et interagit a été étudiée. De tels processus sont essentiels pour pouvoir planifier de manière réaliste à la fois des mesures scientifiques et des systèmes techniques destinés à être utilisés à la surface de la Lune.

Parallèlement, Timon Schild étudie les propriétés mécaniques de matériaux analogues au régolithe. Il s'agit de matériaux terrestres qui ressemblent fortement à la poussière lunaire. Quelle est la structure de ces particules ? Quelle est la stabilité des alliages de matériaux ? Ou comment la poussière se comporte-t-elle dans des conditions extrêmes de température et de pression ? Les réponses à ces questions et à bien d'autres encore constituent une condition essentielle pour pouvoir, à l'avenir, exploiter les matériaux dont est constituée la Lune et mettre en place une infrastructure sur ce corps céleste.

Pour pouvoir réaliser ces expériences, des installations de test spécialisées sont à disposition, dont une chambre à vide thermique. Cette installation permet de reproduire des conditions de vide et de fortes variations de température, telles qu'on les observe à la surface de la Lune. La combinaison d'expériences en laboratoire, de simulations et d'infrastructures expérimentales crée la base scientifique pour estimer de façon réaliste le vrai potentiel du régolithe.

Selon les évaluations de la LSA, la commercialisation de la Lune en est encore à un stade précoce et est actuellement principalement portée par des programmes étatiques. Au cours des cinq à dix prochaines années, l'agence prévoit toutefois une intensification des activités en rapport avec la mise en place d'infrastructures, l'approvisionnement en énergie, les télécommunications et les premières démonstrations d'ISRU.

Communication pour les missions spatiales

Outre la recherche sur les ressources et les matériaux, les infrastructures de communication et de test jouent aussi un rôle central pour les futures missions sur la Lune. Le SnT de l'Université du Luxembourg, en particulier, développe des technologies pour une transmission de données fiable entre la surface lunaire, les satellites en orbite et la Terre.

Au LunaLab, des systèmes de navigation et de commande sont testés dans des conditions proches du réel. Parallèlement, le 5G/6G-SpaceLab travaille sur des solutions de communication visant à permettre une transmission de données stable et performante, y compris au-delà de la Terre. Étant donné que les futures missions fonctionneront de plus en plus de façon autonome et généreront de grandes quantités de données, des solutions radio et réseau robustes sont considérées comme une condition essentielle tant pour les expériences scientifiques que pour les applications industrielles.

Des environnements de test comme le Zero G Lab contribuent aussi à tester des technologies pour des conditions de gravité modifiées et à les préparer à leur utilisation dans l'espace.

Illustrations : à gauche le LunaLab, à droite le Zero-G Lab au SnT à l'Université du Luxembourg (crédit : SnT, Université du Luxembourg)
 

De l'intelligence artificielle pour la Lune

Au Luxembourg, un modèle d'IA spécifiquement adapté aux conditions de la Lune est en train de voir le jour avec le « Lunar Foundation Model ». Le projet est mené par la LSA en collaboration avec des partenaires du domaine de la recherche, tels que l'ESRIC et de l'industrie, et doit être capable de traiter de grandes quantités de données d'images et de capteurs propres à la Lune.

Alors que de nombreux systèmes d'IA actuels sont entraînés avec des ensembles de données terrestres, l'environnement lunaire nécessite des modèles spécifiques : des conditions de lumière extrêmes, des jeux d'ombres inhabituels, des surfaces poussiéreuses et une atmosphère ténue imposent des exigences particulières en matière d'analyse d'images et de navigation. Un modèle spécialisé pourrait par exemple reconnaître automatiquement des reliefs, identifier des dangers potentiels et combiner différents ensembles de données – par exemple concernant la topographie ou d'éventuelles ressources – afin de proposer des emplacements adaptés pour des infrastructures.

Illustrations du modèle IA (crédit : FDL Lunarlab / Trillium Technologies)

De plus, l'IA joue un rôle dans la coordination des systèmes autonomes. Les rovers, les modules d'alunissage ou les instruments de mesure fixes devront à l'avenir agir de plus en plus de manière autonome. Cela concerne avant tout des lieux où les délais de communication entravent les interventions rapides depuis la Terre. Le traitement intelligent des données devient ainsi un élément central tant pour l'exploration scientifique que pour les applications techniques.

Pour la LSA, cette évolution va au-delà d'un projet ponctuel. Des outils numériques comme le « Lunar Foundation Model » pourraient à l'avenir jouer un rôle clé dans la caractérisation de la surface et la planification des missions, explique Bo Byloos.

Auteur : Kai Dürfeld (pour scienceRELATIONS - Wissenschaftskommunikation)
Édition : Michèle Weber (FNR)
Traduction : Nadia Taouil (www.t9n.lu)