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Participants hors IPGP : 
David BAILLIVET <david.baillivet@altran.com>

Écouter battre le cœur de Mars : la France participe à la mission InSight

L'IPGP, le CNES, l'Université Paris Diderot - Sorbonne Paris Cité et des laboratoires de recherche français et européens participent à une mission très ambitieuse : déposer sur Mars un sismomètre extrêmement sensible et résistant, pour tenter pour la première fois de sonder les profondeurs de la planète rouge. Baptisé SEIS, ce sismomètre est l’instrument principal de la mission américaine InSight, sélectionnée par la NASA dans le cadre du programme Discovery, axé sur l’exploration du système solaire.

La mission InSight

Vue d'artiste de la sonde InSight sur Mars
Vue d'artiste de la sonde InSight sur Mars (© JPL/NASA)

Placée sous la responsabilité du Jet Propulsion Laboratory (JPL), l'un des principaux centres de la NASA, InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) est un véritable observatoire de géophysique, dont l'objectif est d'étudier la structure interne de Mars. Cette dernière est encore aujourd'hui mal connue, et de nombreuses questions demeurent quant à l'épaisseur et la composition des différentes couches de la planète, croûte manteau et noyau. En plaçant des contraintes sur l'intérieur de Mars, InSight va permettre de mieux comprendre non seulement sa formation, mais aussi l'énigme de son évolution, qui a vu cette planète passer d'une situation similaire à celle de la Terre à un astre désertique et glacé, presque intégralement décapé de son atmosphère. Grâce à un ensemble d’instruments géophysiques sophistiqués, InSight mesurera l’activité sismique de Mars, le flux de chaleur provenant de l'intérieur, les variations temporelles du champ magnétique de surface ainsi que les subtiles variations de rotation de la planète.

 

C'est à l’instrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structures) que reviendra le privilège d'écouter « battre le cœur » de la planète rouge, en enregistrant pendant au moins deux années l'activité sismique, que l'on estime bien plus faible que celle de la Terre. SEIS sera également à l'affut des vibrations provoquées par les impacts de météorites, qui continuent de tomber à la surface de Mars en laissant des cicatrices sous la forme de cratères, et qui constituent des sources naturelles d'ondes sismiques. Enfin, sa sensibilité lui permettra peut-être aussi de mesurer le phénomène de marées qui accompagne le satellite Phobos dans sa révolution autour de la planète rouge.

 

Aux côtés de SEIS, l’instrument Heat Flow and Physical Properties Package (HP3), fourni par l’agence spatiale allemande (DLR), s'enfoncera jusqu’à 5 mètres dans le sous-sol martien, afin de mesurer le flux de chaleur qui s'échappe encore aujourd'hui de l'intérieur planétaire. Les données collectées permettront de déduire la vitesse de refroidissement de la planète, et donc la puissance dissipée par le moteur planétaire. Le transpondeur radio RISE sera mis à profit pour étudier très finement la façon dont Mars tourne autour de son axe de rotation, ce qui fournira d'importantes informations sur la façon dont les masses sont distribuées à l'intérieur du globe. Comme tout observatoire géophysique qui se respecte, InSight est bien sûr équipé d'une station météorologique complète, capable d'effectuer des mesures de température et de pression, et de suivre les vents dans leur course.

L'instrument SEIS : un véritable défi technologique

 
Test d'un pendule VBB en caisson
Test d'un pendule VBB en caisson. (© Thierry Cantalupo/IPGP)

 

Le sismomètre SEIS est une machinerie de haute précision, dont la mise au point a demandé plus de 20 années d'efforts à l'équipe technique d'Instrumentation Spatiale de l'IPGP en charge de son développement. Le cœur de l'instrument est composé de trois pendules ultra-sensibles très large bande (VBB), qui détecteront les mouvements les plus infimes et les plus lents de la surface martienne. Les pendules VBB possèdent des caractéristiques spécifiques, spécialement adaptées à un fonctionnement à la surface de Mars. Les autres composantes de SEIS sont réalisées par les partenaires internationaux de l''équipe: Allemagne et Institut Max Planck de Planétologie de Goettingen pour le dispositif de nivellement, Suisse et Ecole Polytechnique de Zurich pour l'électronique d'acquisition et de contrôle, Royaume Uni et Impérial College de Londres pour le capteur courte période, sans compter les Etats Unis et le JPL pour le bouclier éolien, la protection thermique, l'enceinte de confinement des pendules VBB et le câble de liaison entre l'atterrisseur et l'instrument. Le centre du CNES de Toulouse est quant à lui responsable de la maitrise d'œuvre et de l'intégration de l'instrument complet.

 

Conçus sur mesure, chaque pendule VBB est absolument unique. Au nombre de trois (un pour chaque direction de l'espace), ils possèdent tous leur personnalité propre. La masse mobile, qui épousera les trépidations du sol, est reliée à un pivot à lamelles qui autorise les mouvements dans une seule direction (ou axe). Contrairement à ce que l'on pourrait penser, le degré de liberté du pivot est tellement faible qu'il est pratiquement invisible à l'œil nu : seulement 50 microns. Une astuce qui permet notamment aux pendules, par définition très sensibles au moindre tressautement, de résister aux immenses accélérations et chocs qui caractérisent les phases de lancement et d'atterrissage sur Mars sans subir de dommages.

 

Par l'intermédiaire du pivot, la partie mobile est couplée à un ressort plat, qui exerce une force de rappel capable de contrebalancer très précisément la gravité martienne, et donc d'assurer un état d'équilibre compatible avec l'enregistrement des secousses. Le déplacement de la partie mobile du pendule est mesuré par un ensemble d'électrodes, et ce avec une précision extrême : SEIS est effectivement sensible à des mouvements plus faibles que le rayon de l'atome d'hydrogène. Il affiche ainsi un bruit de détection inférieur à 5 picomètres à 1 seconde de période pour sa composante longue période, soit un dixième du rayon de l'atome d'hydrogène.  Pour accroitre encore la sensibilité, un mécanisme de contre-réaction basé sur un ensemble aimant/bobine ramène en permanence la partie mobile à sa position d'équilibre. Une masselotte motorisée permet d'ajuster avec précision la position de la partie mobile en la recentrant au besoin, ce qui permet de pallier si nécessaire à toute dérive. Enfin, les pendules disposent de perfectionnements inconnus des sismomètres terrestres, comme un dispositif de compensation thermique, spécialement conçu pour "accorder" les pendules aux énormes contrastes de température qui ont lieu à la surface de Mars, entre le jour et la nuit ou le passage des saisons.

 

Les pendules sont solidement installés dans une sphère en titane ou règne un vide poussé, pour diminuer au maximum le bruit thermique. Même s'ils étaient placés à la pression atmosphérique martienne, beaucoup plus faible que celle de la Terre, les molécules de gaz, en agitation perpétuelle sous l'effet de la chaleur, ne cesserait de venir cogner contre la masse mobile, et de perturber les mesures. La sphère est placée dans un berceau doté de trois pieds motorisés, qui va permettre d'aligner de manière très précise le sismomètre avec l'horizontale, le niveau à bulles des menuisiers étant ici remplacé par des inclinomètres. Les pieds sont terminés par des pointes coniques dont l'usinage a fait l'objet d'attentions particulières. C'est effectivement à cet endroit que va s'effectuer le fameux couplage, c'est à dire l'interaction entre le sol et le sismomètre, un aspect auquel les géophysiciens sont très sensibles.

 

Contrairement à la Terre, il n'est pas possible d'enterrer en profondeur le sismomètre dans des caves sismiques, pour échapper aux variations de température. En descendant dans d'anciennes galeries ou puits de mines, les géophysiciens bénéficient effectivement de températures incroyablement stables, mais hélas sur Mars se mettre à creuser n'est pas une option. Les ingénieurs ont donc mis au point différentes protections pour le sismomètre SEIS, dont une coiffe bourrée d'alvéoles gazeuses assurant une première protection thermique de la sphère ainsi qu'un bouclier thermique et éolien, qui sera déposé au-dessus du sismomètre (une fois ce dernier au sol) par le bras robotique qui équipe la sonde InSight.

 

Large et massif, le bouclier aura pour fonction d'amortir les variations thermiques, mais aussi d'isoler le sismomètre et le sol alentour des mouvements de l'air, que ce soit durant le passage d'un petit tourbillon ou l'avancée d'une vaste tempête de poussière. Un prototype de ce bouclier a notamment été testé sur l'île de la Réunion fin décembre 2011, avec l'aide des équipes de l'Observatoire Volcanologique du Piton de la Fournaise et de l'Institut Max Planck de Lindau, profitant pour cela des terrains presque "martiens" du piton de la Fournaise et des variations importantes de température en altitude durant l'été austral.

Les défis du spatial

Vue en coupe du sismomètre martien SEIS
Vue en coupe du sismomètre martien SEIS (© CNES/IPGP/Agence Idé)

La capacité de la sonde InSight à déployer le sismomètre au sol avec le bras robotique, et à le recouvrir ensuite d'une bulle de protection contre les sautes thermiques et l'activité des vents est une grande première par rapport à Viking, la seule mission ayant pu débarquer un sismomètre sur Mars, il y a de cela 40 ans. Sur les deux stations fixes Viking, les sismomètres étaient rivetés sur le pont de l'atterrisseur, une situation peu propice à des mesures précises. La goupille de verrouillage (qui protégeait l'appareil des chocs inéluctablement liés au côté spatial de la mission) n'ayant pu être retirée sur le premier sismomètre, seul le second a fourni des données. Hélas, les signaux furent fortement perturbés par les à-coups des vents contre la plateforme, et l'instrument fut bien plus utile comme station météorologique que comme observatoire sismique.

 

Quarante années après Viking, les challenges et défis technologiques liés à la conception d'un sismomètre martien fonctionnel sont toujours aussi importants. La meilleure illustration est sans doute fournie par la sphère en titane sous vide, qui, en juillet 2015, huit mois avant le lancement d'Insight prévu pour mars 2016, s'est mis à fuir. Malgré les efforts considérables consentis par les équipes techniques forcées à travailler 24 heures sur 24 heures sur de longues périodes et plusieurs tentatives de réparation, il n'a pas été possible de corriger définitivement le dysfonctionnement, ce qui a conduit le CNES et la NASA à annoncer fin décembre 2015 la mise en suspens de la mission. La mécanique céleste dictant d'une main de fer l'ouverture des fenêtres de tir qui autorisent les lancements vers Mars, le départ de la sonde InSight est désormais programmé pour le mois de mai 2018. Un report de deux années qui sera mis à profit par les équipes techniques pour revoir le design de la sphère et améliorer encore les performances des pendules.

 

L'expérience SEIS est sous la responsabilité scientifique de l'IPGP et sous la maitrise d'œuvre du Centre National d'Etudes Spatiale. Le concentré de technologie miniaturisée qu'est le sismomètre SEIS a été développé en France grâce au financement du CNES  par les équipes techniques et scientifiques de l’Institut de Physique du Globe de Paris (CNRS/Université Paris Diderot), du campus Spatial de l’Université Paris Diderot, des industriels SODERN et EREMS, de l’Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE) et l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie de Toulouse (IRAP) et du CNES.  Plusieurs laboratoires européens et américains (Ecole polytechnique fédérale de Zurich (ETH), Institut Max-Planck de recherche sur le système solaire (MPS) de Lindau, Imperial College à Londres et Jet Propulsion Laboratory à Pasadena, Californie) ont également contribué à ce développement technologique.

 

D’autres laboratoires du CNRS et de plusieurs universités françaises ont été consultés dans le développement des pieds de l'instrument (équipe CERMES du laboratoire Navier de l'Ecole des Ponts et Chaussées) ou le contrôle de la contamination (Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie). D'autres seront enfin associés à l’analyse des données, une fois ces dernières reçues depuis la surface de Mars. C'est le cas du Laboratoire de Planétologie et Géodynamique (LPG) de Nantes, du Laboratoire GéoAzur (Nice) dont le réseau « sismo à l’école » contribuera à la diffusion des données sismologiques et météorologiques de la mission auprès des écoles, collèges et lycées, et du Laboratoire de Météorologie Dynamique qui a permis de mieux modéliser l'interaction de l'instrument avec l'atmosphère. D'autres laboratoires CNRS contribueront également à l'analyse des données qui seront rapidement diffusées auprès de la communauté internationale par le centre de données de l'IPGP.

L'IPGP : une expertise reconnue

 
Test de vide sur la sphère de vol SEIS
Test de vide sur la sphère de vol SEIS (© Thierry Cantalupo/IPGP)

 

Depuis 30 ans, et la création du réseau mondial de stations sismologiques GEOSCOPE, les chercheurs et ingénieurs de l'IPGP développent, en collaboration avec l'EOST, des stations multiparamètres qui sont installées dans 23 pays de façon à assurer une couverture homogène de la terre. Les stations transmettent en temps réel les données sismiques et sont utilisées pour la détection des séismes et l'alerte aux tsunamis ainsi que pour la recherche scientifique.

 

Les stations comportent un sismomètre large bande, un baromètre, un thermomètre et, pour celles déployées dans des régions sismiques, un accéléromètre supplémentaire. Les choix matériels et le design des stations sont définis de façon à minimiser le niveau de bruit parasite et à fiabiliser les installations. Les sismomètres utilisés sont des STS-1, créés il y a 30 ans par la société Strekeisen, et qui restent à ce jour les sismomètres terrestres très large bande les plus performants. Progressivement, les techniques d'isolation de ces stations ont évolué, ce qui a permis d'améliorer fortement le rapport signal sur bruit.

 

Fragiles et lourds, ces instruments terrestres sont inutilisables pour des missions spatiales. Pour ces dernières, le CNES, l'équipe géophysique spatiale et planétaire de l'IPGP et la société SODERN ont donc entièrement développé un nouveau capteur qui soit à même de résister aux vibrations, chocs, radiations, écarts thermiques et autres contraintes qui caractérisent une mission planétaire. 20 années après l’échec de la mission Mars 96 au lancement, qui déjà embarquait deux sismomètres de première génération pour acquérir des données sismiques martiennes, et ce après la première tentative des sondes Viking de 1976, InSight couronne donc près de 25 ans d’efforts et d'espoirs.

Contacts

Responsable Scientifique et Investigateur Principal SEIS : Philippe Lognonné (lognonne@ipgp.fr)

Responsable Technique et chef de projet Sphère VBB : Sébastien de Raucourt (deraucourt@ipgp.fr)

Chef de projet de l'expérience SEIS au CNES: Philippe Laudet (philippe.laudet@cnes.fr)

Responsable communication de l'expérience SEIS: Philippe Labrot (labrot@ipgp.fr)