VIPER () est une mission spatiale annulée développée par l'agence spatiale américaine, la NASA, reposant sur un astromobile () déposé à la surface de la Lune en 2025. VIPER doit être le premier engin spatial chargé de mesurer in situ les gisements de glace d'eau que des orbiteurs ont détectés depuis l'orbite sans toutefois pouvoir quantifier de manière précise les caractéristiques des gisements. À l'aide de ses instruments, l'astromobile doit mesurer la distribution verticale et horizontale ainsi que les caractéristiques physiques de la glace d'eau et d'autres volatils présents dans les régions du pôle Sud de la Lune où la température est suffisamment basse pour permettre son stockage à une échelle de temps géologique. L'eau est un élément rare sur la Lune et elle peut jouer un rôle central dans les futures missions d'exploration de la Lune de longue durée impliquant des équipages qui sont prévues dans le cadre du Programme Artemis. Elle peut fournir les consommables nécessaires – oxygène, eau de consommation et ergols – grâce aux technologies d'utilisation des ressources in situ et éviter ainsi leur transport très coûteux depuis la Terre. VIPER a pour objectif de collecter les données permettant de vérifier que les caractéristiques des gisements en eau permettent leur exploitation dans des conditions économiquement acceptables.
VIPER doit étudier la surface et la couche superficielle de plusieurs régions de la Lune représentatives des différents types de terrain dans lesquelles la glace d'eau est conservée. À cet effet, il doit effectuer des mesures en surface sur une partie de la superficie de ces sites et prélever à l'aide d'une foreuse des échantillons de sol jusqu'à un mètre de profondeur et analyser leur composition à l'aide de ses spectromètres tout en déterminant les principales caractéristiques du sol (température, dureté). Au cours de sa mission d'une durée de quatre mois lunaires, l'astromobile doit parcourir une dizaine de kilomètres.
VIPER a une masse de et est alimenté en énergie par des panneaux solaires. Sa charge utile comprend une foreuse pour prélever des carottes de sol et trois instruments permettant de détecter les éléments volatils et d'analyser le produit des forages.
L'astromobile est développé par le Centre spatial Lyndon B. Johnson de la NASA. Initialement, il doit être près du cratère Nobili par l'atterrisseur Griffin de la société Astrobotic Technology, qui doit être lui-même placé en orbite par une fusée Falcon Heavy. Mais en , la NASA arrête le projet, qui subit des retards et un dépassement budgétaire significatif. En , le projet est réactivé. Il est désormais prévu que l'astromobile soit déposé fin 2027 à la surface de la Lune par l'atterrisseur lourd Blue Moon Mark 1 de la société Blue Origin, dans le cadre d'un contrat d'une valeur de .
Contexte
Détections d'eau sur la Lune
La Lune a longtemps été considérée comme un astre complètement dépourvu d'eau (eau présente < ). Une série de découvertes effectuées entre 2008 et 2010 entraîne une révision complète de cette hypothèse. De l'eau et des éléments volatils sont détectés dans des verres volcaniques. L'impacteur LCROSS détecte la présence d'eau dans les régions de la Lune perpétuellement à l'ombre. Cette eau a potentiellement trois origines. : eau stockée dans le manteau de l'astre à sa formation qui est libérée par des processus géologiques ; eau apportée par des astéroïdes et des comètes venues s'écraser à la surface de la Lune ; eau formée in situ à la surface à la suite d'interactions avec le plasma du vent solaire.
Glace d'eau aux pôles de la Lune vignette|En bleu, zones présentant une concentration relativement importante de glace d'eau au pôle Sud (à gauche) et au pôle nord (à droite) de la Lune.
L'axe de rotation de la Lune est pratiquement perpendiculaire au plan de l'écliptique (à la direction du Soleil) : son inclinaison est de seulement 1,5° alors que l'axe des pôles de la Terre est incliné de 23,5°. En conséquence, le rayonnement solaire est toujours rasant dans les régions polaires de notre satellite et les reliefs créent des zones en permanence à l'ombre (notamment les fonds des cratères, les cratères d'obscurité éternelle) dans lesquelles la température se maintient largement en dessous de . Le pôle Sud de la Lune se caractérise par des reliefs particulièrement importants (Bassin Pôle Sud-Aitken) multipliant les sites situés dans une ombre perpétuelle..
L'eau est apportée régulièrement à la surface de la Lune par les astéroïdes et les comètes qui s'y écrasent, mais elle ne se conserve pas. En effet durant la journée lunaire, la température de la surface dépasse les . La glace d'eau se sublime (se gazéifie sans passer par l'état liquide), puis s'échappe dans l'espace interplanétaire. Toutefois la sonde spatiale de la NASA , lancée en 1999, détecte des traces d'hydrogène indiquant la présence d'eau, au fond des cratères situés au niveau des pôles, qui présentent la caractéristique de ne jamais être éclairés par le Soleil. En effet, au fond de certains de ces cratères, la température est constamment inférieure à , ce qui empêche la glace d'eau de s'évaporer et de se sublimer. Le spectrographe ultraviolet lointain LAMP () embarqué à bord de l'orbiteur lunaire de la NASA LRO, lancé en 2009, semble indiquer la présence de 1 à 2 % de glace d'eau en surface au fond des cratères d'impact alors que les scientifiques s'attendaient à ce que celle-ci, du fait du bombardement du vent solaire, ne se conserve que sous la surface. L'analyse des éjectas produits par l'impacteur LCROSS (lancé avec LRO) indique que la glace est mélangée au régolithe et ne représente que 4 à 5 % de la masse totale. On ne peut toutefois exclure qu'il y ait des blocs de glace pure. Toutefois, pour des raisons qui ne sont pas clairement établies, il y a beaucoup moins de glace d'eau à la surface de la Lune qu'à la surface de Mercure qui est pourtant une planète plus petite et beaucoup plus chaude. Les instruments de la sonde spatiale MESSENGER, placée en orbite autour de cette planète, ont permis d'établir qu'il y avait plus de glace d'eau à sa surface que sur celle de la Lune.
Les modèles évaluent la masse de glace d'eau présente à la surface de la Lune au niveau des pôles à un milliard de tonnes, dont de tonnes au pôle Sud et de tonnes au pôle Nord. L'eau est principalement concentrée au fond des cratères. Au pôle Sud, le cratère Shoemaker en contiendrait de tonnes, Cabeus de tonnes et Haworth de tonnes. Au pôle Nord, caractérisé par des reliefs moins importants, le cratère Plaskett en contiendrait de tonnes. Toujours selon les modèles, la glace d'eau est sans doute absente des couches superficielles et sa proportion serait comprise en 0,015 et 5 %. L'eau s'est progressivement accumulée au cours des deux derniers milliards d'années, temps nécessaire pour qu'elle s'accumule dans les pièges à froid que constituent les cratères..
Enjeux vignette|Une maquette de VIPER est présentée au vice-président Mike Pence en novembre 2019.
L'eau constitue une ressource précieuse pour les futures missions avec équipage qui seraient envoyées à la surface de la Lune. Elle permet en effet, en utilisant des technologies d'utilisation des ressources in situ, de renouveler les consommables d'une mission et ainsi d'envisager des missions de longue durée sinon permanentes. Mais les observations effectuées jusqu'à présent uniquement depuis l'orbite ne permettent pas de savoir sous quelle forme l'eau se présente (proportion, association chimique), ce qui ne permet pas de déterminer comment celle-ci pourra être exploitée. Plusieurs nations spatiales envisagent d'envoyer une mission pour mener une étude in situ..
Projet vignette|Prototype de .
En 2017, dans un contexte général redevenu favorable à l'exploration de la Lune, la NASA lance un projet d'astromobile () lunaire dont l'objectif est d'étudier la glace d'eau présente dans les cratères du pôle Sud. D'après les données collectées depuis l'orbite, l'eau y est plus abondante qu'au pôle Nord.
Le rover dispose d'une foreuse et de deux instruments principaux : un détecteur de neutrons NSS () et un spectromètre infrarouge NIVSS (, « système de spectromètre en proche infrarouge de substances volatiles »). Les carottes de sol prélevées sont placées dans un four OVEN (), qui permet de dégager les substances volatiles qui sont analysées par l'instrument LAVA (). Le rover, d'une masse évaluée à , est déposé sur le sol lunaire par un atterrisseur. L'ensemble représente une masse au lancement de . L'énergie est fournie par un panneau solaire vertical (pour compenser la faible élévation du Soleil) et la durée de la mission est inférieure à une journée lunaire.
Le projet est proposé en réponse à un appel à propositions du programme Discovery (missions d'exploration du Système solaire à bas coût), mais n'est pas retenu. Il est cependant annulé en 2018.
Le programme Artemis
Le développement d'une version allégée et moins coûteuse de (abandon des instruments OVEN et LAVA) est décidé fin par la NASA. Le futur engin, baptisé VIPER, doit être le premier astromobile de la NASA déposé à la surface de la Lune (alors que l'agence spatiale américaine en a déjà déposé quatre à la surface de Mars). VIPER doit être le cinquième astromobile automatisé lunaire après les deux Lunokhod soviétiques et les deux Chang'e chinois.
Objectifs scientifiques de la mission
Les deux objectifs principaux de la mission sont : Déterminer l'état et la distribution de la glace d'eau et des autres volatils piégés dans la région polaire de la Lune. Fournir les données permettant à la NASA d'évaluer le potentiel d'exploitation des ressources in situ dans les régions polaires de la Lune.
Limites des mesures effectuées depuis l'orbite
Pour pouvoir évaluer le caractère exploitable des ressources en eau présentes dans les régions polaires, il est nécessaire de mieux comprendre leur distribution et leurs caractéristiques physiques. En effet, la présence et l'abondance en eau ont été mesurées de manière indirecte par des instruments installés sur des satellites en orbite. Les mesures effectuées ne permettent pas de déterminer de manière précise la distribution horizontale et verticale de la glace d'eau ainsi que sa structure physique. Pour pouvoir exploiter celle-ci, la concentration en glace d'eau doit être au minimum de 5 à 10 %. L'objectif de la mission est de mesurer ces concentrations lorsqu'elles dépassent 2 % et d'évaluer les concentrations dépassant 5 % des volatils susceptibles d'être également exploités ou de constituer une source de problèmes comme l'hydrogène, le sulfure d'hydrogène, le méthane, le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone.
Les nombreux impacts de micro-météorites qui pénètrent jusqu'à une profondeur de un mètre les couches superficielles du régolithe ont, selon les modèles, sans doute fait disparaître en partie l'eau présente dans les 10 à centimètres. En mesurant sur place la distribution verticale des concentrations en eau, on pourra mieux interpréter les mesures effectuées depuis l'orbite et déterminer si la quantité de matériaux à manipuler pour obtenir de l'eau est compatible avec les modèles économiques.
Pré-classification des terrains en fonction de leur potentiel en eau
Pour effectuer ces évaluations sur le terrain, une carte des zones dans lesquelles la température permet à la glace d'eau de se conserver (, ISR) à des échelles géologiques (évaporation/sublimation inférieure à un millimètre sur une période de un milliard d'années) a été réaliséeCette carte a été établie à partir de modèles de l'environnement thermique en surface et en sous-sol et validés pour les températures de surface par les observations effectuées depuis l'orbite.. Elle a permis de classer les terrains du pôle Sud en quatre catégories :