Une enceinte en titane étanche et sous vide

Les sismomètres sont des appareils qui sont très sensibles à la moindre variation de température. Sur Terre, ils sont généralement installés dans des environnements où la température est très stable, comme des caves ou des galeries de mines. Sur Mars, il est impossible de creuser, et l'instrument va donc être soumis à des contrastes thermiques particulièrement importants, journaliers et saisonniers. Ainsi, même sur le site d'atterrissage d'InSight, la plaine équatoriale d'Elysium, la différence de température entre le jour et la nuit sera en moyenne de 70°C.

Sphère ouverte, montrant les deux demi-coques ainsi que les pendules très large bande (© IPGP/SODERN).

Pour atténuer au maximum les contrastes de température, les pendules très large bande du sismomètre sont placés dans une sphère en titane où règne un vide poussé.

D'un volume de 3 litres environ (soit approximativement la taille d'un melon), cette enceinte réalisée par le Jet Propulsion Laboratory à Pasadena est constituée de deux demi-coques en titane très légères, qui ont été soudées par laser autour d'une couronne circulaire sur laquelle les trois pendules, un pour chaque direction de l'espace, ont été solidement fixés.

La couronne accueille aussi une série de connecteurs passe vide permettant le passage de câbles électriques. C'est également à son niveau que se trouve le queusot, un petit tube de cuivre dont le rôle est de permettre l'aspiration de l'air de la sphère pour la mettre sous vide.

Lors de l'étape cruciale de la mise sous vide, la sphère est d'abord étuvée, pour favoriser au maximum la vaporisation des composés qui ont pu se condenser à l'intérieur. L'air est ensuite aspiré grâce à des pompes très puissantes. Une fois la totalité du contenu gazeux évacué, le queusot est écrasé par une pince spécifiquement adaptée, ce qui a pour effet de sceller définitivement le caisson.

La sphère est enfin équipée de capteurs de température, qui serviront pour les opérations de surveillance et de diagnostic.

Protection des pendules

L'un des rôles de la sphère sous vide est de permettre aux pendules de fonctionner dans un environnement qui soit le plus propre possible. Effectivement, en se glissant dans certains endroits, comme le pivot ou les électrodes du capteur de mouvement, une particule micrométrique, ou un film collant de molécules organiques pourrait enrayer les délicats mécanismes d'un pendule et paralyser le sismomètre.

Représentation en 3D de la sphère protectrice du sismomètre SEIS (© IPGP).Le vide qui règne à l'intérieur de la sphère permet d'éliminer le mouvement brownien, qui parasiterait énormément les mesures sismiques. Lorsqu'elles sont soumises à la chaleur, les innombrables particules (atomes et molécules) qui composent l'atmosphère se mettent à bouger de manière aléatoire mais incessante, à la manière de danseurs dans une boite de nuit. C'est ce que les physiciens appellent le mouvement brownien.

Inévitablement, certaines particules viendraient cogner contre la masse mobile des pendules, déclenchant alors un signal au niveau du sismomètre. Il semble donc vital de pouvoir annuler au maximum cette source de perturbation, et la seule façon d'y parvenir est de vider la sphère de son contenu.

Si l'atmosphère martienne est environ 100 fois plus ténue que celle de la Terre (moins de 10 mbars pour Mars contre 1 bar pour notre planète), elle est encore trop dense pour les pendules. La technique qui aurait consistée à équiper la sphère d'une valve filtrante (pour empêcher les poussières de rentrer), de manière à équilibrer les pressions entre l'intérieur de l'enceinte et le milieu martien extérieur n'aurait donc pas été suffisante.

Plus important encore, l'absence d'air dans la sphère en titane permet également d'isoler du mieux possible les pendules des variations de température extérieures, ce qui est absolument fondamental pour la qualité des mesures sismiques, surtout lorsqu'il s'agit d'enregistrer des ondes à longue période. Ce point explique également pourquoi le nombre de protections thermiques est aussi important autour du sismomètre SEIS.

La sphère de vol du sismomètre SEIS (© IPGP/SODERN/CNES/Piraud).

Non contente d'offrir un environnement sous vide aux pendules, la surface de la sphère est effectivement revêtue sur sa face intérieure d'une couche très fine d'isolant thermique. La sphère est elle-même enfermée dans une coque externe isolante (RWEB), et cet ensemble, une fois au sol, sera lui même recouvert par un imposant bouclier éolien et thermique, le WTS.

Une pression aussi basse que possible

Au fil du temps, la pression à l'intérieur de la sphère en titane finira inévitablement par augmenter. Pour suivre l'évolution de la pression à l'intérieur de la sphère, cette dernière ne dispose pas de baromètres internes. Ce sont les sondes de température, placées sur les pendules, qui permettront aux ingénieurs d'évaluer la qualité de l'isolation thermique à un moment donné, et d'en déduire le niveau du vide existant dans la sphère.

Au début de la mission d'InSight, juste après l'atterrissage, la pression dans la sphère avoisinera les 0,01 millibars. Deux années terrestres plus tard, en fin de mission et si aucune fuite majeur ne s'est produite entre temps, le vide ne sera plus que de 0,1 millibars, une valeur néanmoins suffisante pour continuer à effectuer des mesures sismiques en cas d'extension de la mission.

Les trois pendules VBB à l'intérieur de l'enceinte de confinement en titane (© SODERN).

Afin de pouvoir garantir la persistance de très basses pressions à l'intérieur de la sphère, celle-ci est également équipée de sortes d'éponges à gaz. Le rôle de ces dispositifs est de piéger des gaz qui pourraient encore être présent dans la sphère, après son étuvage et sa mise sous vide. Ils absorberont également le gaz carbonique martien si une micro-fuite apparaissait sur Mars.

Dernière mise à jour : 26 février 2018