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Quand étudier les séismes de Mars permet des prouesses techniques inédites

Insight avec le sismomètre SEIS en bas à gauche. NASA, CC BY-SA

La NASA vient d’annoncer une grande première pour une mission spatiale de planétologie, en l’occurrence avec la mission InSight qui s’est posée sur Mars en 2018 : le nettoyage d’un panneau solaire par une action autre que le vent ou via les conditions naturelles à la surface de la planète.

Les ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory (JPL, un laboratoire de la NASA) sont parvenus à dépoussiérer les panneaux solaires… en projetant du sable dessus ! Cette activité contre-intuitive est rendue possible par l’effet de saltation : de gros grains de sable, poussés par le vent, viennent arracher les plus petits grains de poussière collés au panneau solaire, permettant d’augmenter la production d’énergie de ce dernier.

Cette action était devenue une nécessité du fait de l’ensablement important des panneaux solaires de l’atterrisseur, diminuant considérablement l’énergie disponible pour la mission et ses instruments scientifiques. Elle découle directement de travaux d’enfouissement du câble d’un des instruments de la mission, que je vais vous présenter.


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Prolongée fin 2020 par la NASA pour deux années supplémentaires, la mission InSight se focalise désormais sur les opérations du sismomètre français SEIS, à l’écoute des tremblements et vibrations de la planète Mars depuis l’atterrissage dans la plaine d’Elysium Planitia le 26 novembre 2018.

InSight, qui fait partie du 12e programme Discovery de la NASA, a pour objectif de déterminer les grands mécanismes de la formation et de l’évolution des planètes telluriques en mesurant et caractérisant finement la structure interne de Mars. Tout cela grâce au sismomètre SEIS (développé par le Centre national d’études spatiales et l’Institut de physique du globe de Paris, avec le support de nombreux partenaires français, européens et américains), ainsi qu’avec la sonde de température HP3, développée par le Centre allemand pour l’aéronautique et l’astronautique, dont l’objectif était de s’enfoncer dans le sol martien jusqu’à 5 mètres de profondeur afin de mesurer les flux de chaleur sous la surface. Les deux instruments SEIS et HP3 avaient été déployés sur le sol de Mars peu après l’atterrissage, grâce au bras robotisé de l’atterrisseur InSight.

SEIS pour écouter battre le cœur de Mars (CNES).

Si SEIS a pu rapidement enregistrer les premiers séismes martiens, la pénétration de la sonde HP3 dans le sol s’est avérée plus difficile et cette dernière n’a jamais pu, après presque deux ans de tentatives, s’enfoncer complètement dans le sol.

Les tentatives de forage infructueuses de la sonde de température allemande HP3 ont été abandonnées début 2020 afin de libérer le bras robotique de l’atterrisseur et permettre d’entamer l’enfouissement du câble de SEIS sous du régolithe martien (la poussière fine à la surface de la planète) grâce à la pelle installée au bout du bras. En effet, s’il est installé sur le sol de Mars, le sismomètre SEIS reste relié à l’atterrisseur par un câble appelé tether, en charge de transmettre les commandes à SEIS et de transférer ses données scientifiques.

L’installation de SEIS et de son câble a été particulièrement minutieuse afin d’éviter toute contrainte mécanique du câble sur la structure du sismomètre. Les forts gradients de température à la surface de Mars génèrent en effet des effets mécaniques de rétractation et de dilatation de ce câble. À la tombée de la nuit, vers 18h sur Mars, les températures chutent de près de 80 °C en 1 heure. Cela a pour effet de générer des craquements thermoélastiques du câble qui génèrent du bruit sismique sur les données de SEIS, des glitchs que l’équipe cherche toujours à mieux comprendre et caractériser.

Afin de réduire la fréquence et l’amplitude de ces craquements, les équipes de l’IPGP ont eu l’idée d’enfouir le câble sous une couche de sable afin de l’isoler thermiquement. In fine, l’objectif est d’améliorer les performances de SEIS, déjà excellentes, et la qualité des données scientifiques produites. L’opportunité s’est présentée avec l’extension de mission par la NASA sur les années 2021 et 2022, car la durée nominale de la mission n’était que de deux ans, jusqu’à fin 2020.

Un enfouissement extrêmement minutieux

Cette activité est minutieusement préparée depuis le début de l’année par les équipes du CNES et du JPL. Les ingénieurs opèrent le bras d’InSight à partir des consignes de l’équipe opérationnelle du CNES, qui appuie son plan d’action sur les essais effectués au CNES sur le modèle de qualification du sismomètre.

Lancées le 14 mars et le 28 mars derniers, les deux premières pelletées ont déposé le régolithe directement sur le bouclier qui recouvre SEIS, permettant ainsi d’être au plus près de l’instrument en laissant glisser le sable jusqu’au tether (le câble qui relie l’instrument à l’atterrisseur), permettant de recouvrir les quelques centimètres les plus proches de SEIS, que l’on pense être les plus critiques vis-à-vis du bruit sismique. L’opération s’est parfaitement déroulée et a permis de recouvrir l’extrémité du câble la plus proche de SEIS de quelques millimètres de sable, mais les spectaculaires images revenues de Mars ont soulevé quelques questions.

Coupe du sismomètre SEIS, le câble à enfouir est à droite de l’image. NASA/JPL-Caltech/CNES/IPGP, CC BY

En premier lieu, le dépôt est tombé un peu plus à gauche que prévu du tether, qui a tout de même été recouvert en grande partie. Cela est dû à la forme en dôme du bouclier thermique, ainsi qu’à l’imprécision mécanique de placement du bras. Le résultat s’est avéré un peu différent des tests sur Terre, pourtant réalisés avec un modèle identique du bouclier de SEIS.

S’est également posée la question de l’effet du vent sur le dépôt et de son influence sur la dispersion du régolithe qui est lâché d’assez haut (environ 40cm) par sécurité. L’énergie de l’atterrisseur étant limitée, le capteur de vent de la station météo (également opérée au CNES) n’avait pas été allumé. La dispersion des particules fines est cependant clairement apparue sur la trace laissée par le régolithe sur le bouclier, dont la surface s’est retrouvée spectaculairement nettoyée de sa poussière accumulée depuis deux ans.

Enfin la quantité de sable déposée sur le câble dépend forcément de la quantité de sable qui a pu être préalablement transféré dans la pelle. Les photos prises avant et après l’opération sont le seul moyen de s’assurer par exemple que la pelle s’est bien vidée, ou d’estimer le volume de remplissage, forcément difficile à déterminer à partir d’une image vue du dessus. Chaque opération de dépôt permet aux équipes de progresser dans la compréhension des mécanismes sous-jacents, et de gagner en efficacité à chaque nouvel essai.

Fortes de cette première expérience, les équipes opérationnelles ont pu continuer l’activité sans perdre de temps. Mars approche en effet de son aphélie (point de l’orbite d’une planète où elle se trouve à la plus grande distance du soleil), ce qui marquera pour InSight les températures les plus froides de l’année. De plus, les panneaux solaires commencent à être fortement recouverts de poussière, ce qui limite l’énergie disponible pour les opérations.

Un plan sur 6 à 8 dépôts a ainsi été mis en place d’ici à cet été avant que l’énergie ne vienne à manquer. L’activité est complexe et nécessite de prendre en compte de nombreux paramètres :

  • La température à la surface de Mars en premier lieu, car le bras ne peut pas être opéré à des températures trop froides.

  • L’incertitude dans le placement du bras et la hauteur du dépôt ensuite, bien qu’ils s’affinent au fur et à mesure des opérations.

  • Le vent est également primordial, car si des rafales ne sont jamais à exclure, le vent résiduel change la physionomie du dépôt au sol. Il est ainsi pris en compte pour estimer le point de dépôt (au cm près) et finalement mesuré en temps réel pendant l’exécution de l’activité avec le capteur de vent.

  • Enfin, les ombres portées sont importantes pour estimer la hauteur de la pile de régolithe, et les activités ont ainsi lieu tard dans la journée, au moment où le soleil est rasant dans Elysium Planitia.

Une idée pour dépoussiérer les panneaux solaires

Les deux premiers dépôts ont été effectués directement sur le bouclier thermique, avant de glisser jusqu’au sol. Cela a eu l’effet de nettoyer la poussière qui s’était accumulée sur le panneau. Ce qui a pu indirectement donner aux ingénieurs du JPL l’idée à l’équipe d’effectuer une activité similaire pour dépoussiérer un des panneaux solaires par effet de saltation (l’autre panneau n’étant pas atteignable par le bras robotique) : en effectuant un dépôt depuis assez haut sur le pont de l’atterrisseur sur un endroit proche du panneau solaire et à une heure de la journée avec suffisamment de vent dans la bonne direction, les gros grains poussés vers le panneau par le vent viennent arracher les poussières collées au panneau en rebondissant à la surface par saltation.

Les dépôts sont précédés d’une phase de « scraping » (raclage) pendant laquelle la pelle vient racler le sol afin de rassembler suffisamment de régolithe au sol. La pelle vient ensuite se remplir dans ce tas avant le dépôt.

Les troisième et quatrième dépôts visaient la pinning mass, le petit appendice rajouté sur le tether pour ajuster ce dernier lors de la phase de déploiement. Si le premier dépôt s’est avéré un peu à côté (le vent n’avait finalement pas soufflé aussi fort qu’attendu), le 4e dépôt a été une belle réussite, venant en grande partie recouvrir le câble.

Les effets de cette activité sont déjà visibles dans la qualité des données scientifiques, avec une légère réduction des glitchs, ces craquements thermoélastiques qui viennent perturber les signaux sismiques. L’effet plus complet est attendu à partir de 8 dépôts sur Mars, objectif qui pourra être atteint avant l’été si l’énergie disponible le permet, ou à partir de la rentrée une fois les températures remontées sur Mars.

Les dépôts 5 et 6 ont été effectués les 10 et 17 mai respectivement, toujours sur la pinning mass qui est maintenant bien recouverte. L’étape suivante pour SEIS est de recouvrir la partie du câble plus éloignée de SEIS, mais celle-ci est plus sensible car un « pont » s’est créé en dessous lors du déploiement de l’instrument il y a deux ans. En effet, lors de la phase de déploiement de SEIS juste après l’atterrissage, le câble a été ajusté sur le sol grâce à la pelle (la même qui sert à décharger le régolithe sur le câble) qui est venue tirer ce dernier vers l’atterrisseur. Cela a eu pour effet de venir « bomber » un peu le câble et le décoller légèrement du sol à peu près en son milieu.

Le câble ne reposant pas directement sur le sol, il faut éviter que le régolithe déposé dessus ne vienne créer une contrainte mécanique et modifier l’installation du câble. Des tests sont en cours au CNES pour déterminer la meilleure approche pour cette activité à risque.

L’activité d’enfouissement du câble de SEIS est menée conjointement par le CNES et par le JPL (qui opère notamment le bras robotisé), avec le support scientifique de l’Institut de Physique du Globe de Paris, du Laboratoire de Planétologie et Géodynamique de Nantes, et du Laboratoire Navier.

À ce jour, la mission InSight compte 600 séismes détectés par l’instrument SEIS, dont une petite dizaine peut être qualifiée de majeur (de magnitude 3,1 à 3,6). Ils proviennent tous de la zone sismique de Cerberus Fossae, située à 1 600km à l’Est d’InSight.

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