Un sismomètre martien sous la Forêt Noire
Le sismomètre martien SEIS a été testé avec succès à l'Observatoire sismique de la Forêt Noire en Allemagne
Du 12 au 16 mars 2018, une équipe internationale d'ingénieurs et de géophysiciens a effectué des tests de performance sur une réplique du sismomètre SEIS, qui sera déposé en novembre 2018 par l’atterrisseur InSight sur la planète Mars.
Caves sismiques
A l'intérieur de l'observatoire de la Forêt Noire, à 375 mètres environ de l'entrée des galeries, et à proximité de la cave ayant servi aux tests du sismomètre SEIS de la sonde InSight (© IPGP/BFO/Philippe Labrot).Par définition, les sismomètres sont des instruments qui apprécient grandement le calme. Pour tester ces appareils ultra-sensibles, les géophysiciens sont conduits à les installer dans des endroits impraticables et désolés, comme des grottes naturelles ou des puits miniers. A des centaines de mètres sous Terre, les conditions deviennent effectivement radicalement différentes de celles de la surface. La plupart des sources de bruit parasites sont fortement atténuées, et le niveau de perturbations des stations sismiques est diminué de plusieurs ordres de grandeur.
L’observatoire de la Forêt Noire (BFO), géré conjointement par l'Institut de technologie de Karlsruhe et l'Université de Stuttgart, est l’une des meilleures caves sismiques au monde. Il a été rapidement identifié comme étant l’un des environnements les plus pertinents pour évaluer les performances du sismomètre SEIS de la sonde InSight. Durant la semaine de mars 2018 où ce dernier a été testé sur place, l’Observatoire s'est hissé à la première place du classement des sites sismiques les plus calmes de la planète.
BFO tire parti d’un réseau étendu de galeries creusées sous la Forêt Noire, dans un massif montagneux de granite. Les tunnels de cette ancienne mine (Anton) d’argent et de cobalt aujourd'hui abandonnée s’enfoncent jusqu'à 700 mètres dans la roche, et ont été entièrement rééquipés. La cave dans laquelle la réplique du sismomètre SEIS a été testée est localisée dans les sections périphériques, à environ 400 mètres de l’entrée principale (voir carte ci-dessous). Au-delà de cette zone se trouvent deux sas qui protègent les sections intérieures, où sont situés de nombreux capteurs géophysiques qui écoutent en permanence l'activité du globe terrestre.
Carte des galeries de l'observatoire sismique de la Forêt Noire. En offrant des conditions d'installation optimales et des protections très efficaces contre les sources de bruit, naturelles et artificielles, cet observatoire constitue un site idéal pour mettre à l'épreuve les sismomètres les plus sensibles (© BFO / Rudolf Widmer-Schnidrig).
Un monde de silence
A BFO, les géophysiciens du monde entier peuvent tester des sismomètres dans des conditions exceptionnelles. Dans les différentes salles qui parsèment les galeries, creusées jusqu'à une profondeur de 170 mètres, l'environnement reste exceptionnellement stable, quelque soit les conditions extérieures. Les instruments sont protégés des multiples caprices de la météo comme les bourrasques de vent, les variations de pression ou encore les fluctuations de température, mais également des bruits incessants liés à l'activité humaine. A titre d’exemple, les variations annuelles de température dans les boyaux ne dépassent pas 0,05 °C. L'un des points forts de l'observatoire est de permettre la caractérisation du bruit propre des instruments, c'est à dire des signaux parasites très ténus émis par les sismomètres eux-mêmes lorsqu'ils sont en fonctionnement. Un autre avantage non négligeable est sa facilité d'accès. Durant les tests, le personnel peut intervenir à tout instant sur les instruments, ce qui n'est pas possible sur d'autres observatoires sismiques du même niveau.
Des campagnes de tests dirigées par le CNES
L'équipe internationale d'ingénieurs et de scientifiques présente à l'observatoire de la Forêt Noire lors des tests du mois de mars 2018 sur le modèle de qualification du sismomètre martien SEIS d'InSight (© IPGP/Philippe Labrot).En 2017, une première série de tests avait été réalisée avec les capteurs à courte période (SP) du sismomètre SEIS, sensibles à des ondes sismiques de haute fréquence. Une seconde campagne a ensuite été mise sur pied pour effectuer des mesures avec les capteurs très large bande (VBB), qui sont au cœur du sismomètre SEIS. Conduite par le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES), celle-ci a nécessité l'envoi d'une équipe composée d'une dizaine de spécialistes.
Pour les ingénieurs, l'une des difficultés majeures a été de mettre en œuvre, dans un environnement non contrôlé, un instrument qualifié pour le milieu spatial. Effectivement, les dispositifs destinés à être envoyé dans l'espace sont toujours manipulés avec précaution dans des salles blanches, où les températures et l'humidité sont bien définies, et qui sont par définition des lieux d'une propreté extrême. Si le niveau des conditions environnementales rencontrées dans les observatoires sismiques terrestres excluait définitivement tous tests sur le modèle de vol, ces derniers ont cependant été jugés possibles avec un modèle de qualification.
Un important travail d'ingénierie réalisé par le CNES a eu lieu sur l'instrument lui-même. Contrairement au modèle de vol, qui possède trois pendules VBB, le modèle de qualification de SEIS utilisé à BFO n’en contenait qu’un seul, placé dans une cavité métallique conçue sur mesure. Simulant l'enceinte de confinement de l'instrument martien, cette dernière a notamment été équipée d’un ensemble de valves permettant sa mise sous vide à la demande (ce qui n'est pas possible sur le modèle de vol).
A l'intérieur des tunnels de l'observatoire de la Forêt Noire, le degré d'hygrométrie est très élevé (95 %), et les ingénieurs de l'équipe AIT (Assemblage Intégration et Tests) du CNES ont également dû concevoir et déployer une tente sur mesure, équipée de traverses électriques étanches, de manière à pouvoir réguler l'humidité. Celle-ci a été gérée de manière passive (absorption de la vapeur d'eau grâce à du gel de silice), le risque de perturber les mesures étant trop important avec un système actif de type déshumidificateur.
L’installation du dispositif de mesure a consisté à positionner le modèle de qualification du sismomètre SEIS sur une dalle sismique en béton, et à le relier à un boitier électronique renfermant plusieurs cartes d’acquisition, l’eBox (sur Mars, ce boitier est placé à l’intérieur de l’atterrisseur). L’ensemble a ensuite été recouvert par la tente étanche. Un ensemble de sismomètres terrestres de référence (STS-2 et Trillium) ont ensuite été positionnés à l’extérieur de la tente, sous diverses protections thermiques. Une fois la totalité du dispositif déployé, la mine a été évacuée, toutes les mesures se faisant ensuite à distance, depuis le bâtiment principal de l’observatoire.
Bruce Banerdt (Jet Propulsion Laboratory, responsable de la mission InSight) à droite et Philippe Lognonné (IPGP, responsable du sismomètre SEIS) à gauche avec le modèle de qualification du sismomètre d'InSight, ici équipé d'un unique pendule VBB (© IPGP/BFO/Philippe Labrot).
Analyse des données
Durant deux nuits, le sismomètre a collecté des données, qui ont été analysées directement sur place par des sismologues de l'Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) et de l'Observatoire de la Forêt Noire, mais également à distance par des experts de l'Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace (ISAE) et de l'Imperial College de Londres.
L'objectif principal était de caractériser le bruit propre des capteurs très large bande (VBB) et courte période (SP) du sismomètre SEIS, et ce avec deux technologies de traitement différentes. La quantité de bruit généré par SEIS lorsque ce dernier fonctionne est effectivement l'un des paramètres clés pour atteindre les objectifs scientifiques de la mission. Or il est très délicat de caractériser le bruit propre d'un instrument aussi sensible que SEIS dans les salles blanches, ces dernières étant bien trop bruyantes.
Les résultats recueillis durant la campagne de tests montrent que le sismomètre SEIS est non seulement bien adapté à la planète sur laquelle il va devoir fonctionner, Mars, mais aussi que ses performances sont d'un très bon niveau. Un bel exploit pour cet instrument spatial, qui contrairement à ses homologues terrestres, a aussi été conçu pour être le plus léger et petit possible, consommer un courant très faible, fonctionner à des températures très basses, et résister aux vibrations très intenses qui caractérisent les phases de lancement et d'atterrissage.