Le rayonnement ultraviolet solaire est le principal moteur de l’évolution chimique dans le système solaire. De nombreux programmes expérimentaux au sol sont consacrés à l'étude de la photochimie de molécules en phases gazeuses, solides ou encore de molécules volatiles condensées à très basse température. Néanmoins, la validité de tels travaux et leur extrapolation aux environnements extraterrestres peuvent être mis en cause tant qu'ils n'ont pas été confrontés à des expériences similaires menées dans l'espace, avec exposition au spectre solaire étendu, tout particulièrement dans le domaine des courtes longueurs d'onde, inférieures à 200 nm, difficilement reproductible en laboratoire. Pourtant, la compréhension de l’évolution chimique dans des environnements astrophysiques contenant de la matière organique et inorganique (comètes, météorites, Mars, Titan, Europe, milieu interstellaire) requiert de telles études.

 

 

Nous cherchons donc à comparer le comportement photochimique de molécules organiques et inorganiques mesuré en laboratoire, à la « réalité terrain » que ces expériences sont censées représenter : l’exposition directe au rayonnement solaire au cours d’expériences réalisées en orbite terrestre. L’objectif est à terme d’améliorer les expériences en laboratoire, et d’obtenir des mesures quantitatives concernant la photolyse des molécules sélectionnées (produits et sections efficace de photolyse notamment).

 

 

Le LISA a déjà coordonné des expériences à l’extérieur d’une capsule Russe (FOTON- Plateforme BIOPAN) et de la Station Spatiale Internationale (ISS – Plateformes EXPOSE) (Figure 1 et Tableau 1). Différents types de dispositifs d’exposition des échantillons en orbite ont été développés spécifiquement pour ces campagnes. Ces projets concernent particulièrement l'étude des molécules d'intérêt cométaire (dans le cadre de la préparation à l'interprétation des résultats de la mission ROSETTA), la chimie de Titan (mission Cassini Huygens), ou encore la chimie organique dans l'environnement martien (Curiosity, Rosalind Franklin).

 

 

Une nouvelle génération de plateformes d’expositions a émergé de ces campagnes sur l’ISS pour lesquelles l’analyse des échantillons n’était possible qu’avant leur départ en orbite et après leur retour sur Terre. Nous avons souhaité intégrer un suivi in situ de l’évolution des échantillons directement en orbite par spectrométrie infrarouge. L’instrument IR-COASTER (conçu et construit au LISA en partenariat avec le CNES) sera la première expérience d’exposition intégrant un spectromètre infrarouge embarqué pour le suivi des échantillons en orbite (Figure 2). Cette expérience, a été conçue sur une base qui pourrait être facilement transposable à l’avenir dans un CubeSat si l’opportunité se présente.

 

 

Car au-delà du rayonnement UV, nous allons chercher à combiner l’effet des UV à celui des particules chargées (vent solaire et rayonnement cosmique). Cette étude nécessite des orbites différentes de celle de la Station Spatiale Internationale, qui rendront impossible le retour des échantillons sur Terre. Ainsi la solution CubeSat pourrait être adaptée. Mais au-delà de l’orbite terrestre, la Lune (orbite ou surface) pourrait dans les années à venir présenter des opportunités de choix pour des études d’exposition d’échantillons à l’ensemble des rayonnements énergétiques des environnements astrophysiques. Une phase d’étude de faisabilité pour une telle expérience à la surface de la Lune est en cours avec le CNES pour préparer de futures expériences lunaires. Il s’agit du projet Vitrine. Ce dernier comportera une nouvelle avancée dans le cadre d’expériences d’expositions : la capacité de préparer et exposer des échantillons glacés, pertinents pour des études de glaces cométaires, interstellaires, ou encore des satellites glacés des planètes géantes.

 

 

Figure 1 : La plateforme EXPOSE à l’extérieure de l’ISS, utilisée par le LISA pour une série d’expériences de photochimie en orbite terrestre

 

 

 

Tableau 1 : Expériences dans lesquelles le LISA est impliqué, passées, en cours ou en préparation

 

EXPERIENCE	SUPPORT	LANCEMENT	DUREE D'EXPOSITION
UVolution	BIOPAN (capsule FOTON)	Septembre 2007	12 jours
PROCESS	EXPOSE-E installé sur l'ISS, module européen	Février 2008 – Aout 2009	18 mois
AMINO	EXPOSE-R installé sur l'ISS, module russe	Mars 2009 – Mars 2011	24 mois
PSS	EXPOSE-R2 installé sur l'ISS, module russe	Juillet 2014 - Mars 2016	16 mois
IR-COASTER	ISS, plateforme Bartolomeo, module européen	Octobre 2024	12 mois
Space MoonTan	Surface lunaire	TBD	TBD

 

 

 

 

Figure 2 : A gauche : photo du modèle de vol de l’expérience IR-COASTER avant son départ vers l’ISS. Au milieu et à droite : modèles numériques de l’instrument montrant la disposition du hardware et du carrousel à échantillon. Le spectromètre IRTF est la pièce gris clair sur la figure au centre.

 

 

Contact LISA: Hervé Cottin

 

 

Quelques publications

 

- Herve Cottin, Julia Michelle Kotler, Daniela Billi, Charles Cockell, René Demets, Pascale Ehrenfreund, Andreas Elsaesser, Louis d’Hendecourt, Jack JWA Van Loon, Zita Martins, Silvano Onofri, Richard C Quinn, Elke Rabbow, Petra Rettberg, Antonio J Ricco, Klaus Slenzka, , Olivier Poch, Kafila Saiagh, Fabien Stalport, Akihiko Yamagishi, Hajime Yano, Benjamin A Klamm, Space as a tool for astrobiology: review and recommendations for experimentations in Earth orbit and beyond, Space Science Reviews, 209, 83-181, 10.1007/s11214-017-0365-5, 2017

 

- Baratta, G.A., Chaput, D., Herve Cottin, Cascales, L.F., Palumbo, M.E. and Strazzulla, G., Organic samples produced by ion bombardment of ices for the EXPOSE-R2 mission on the International Space Station, Planet. Space Sci., 118, 211-220., 10.1016/j.pss.2015.08.011, 2015

 

- Cottin, H. and Rettberg, P. (2019) EXPOSE-R2 on the International Space Station (2014–2016): Results from the PSS and BOSS Astrobiology Experiments. Astrobiology 19, 975-978.

 

- Chaouche-Mechidal, N., Stalport, F., Caupos, E., Mebold, E., Azémard, C., Szopa, C., Coll, P. and Cottin, H. (2023) Effects of UV and Calcium Perchlorates on Uracil Deposited on Strontium Fluoride Substrates at Mars Pressure and Temperature. Astrobiology 23, 959-978.