Le sismomètre SEIS de la mission Insight a été posé ce mercredi 19 décembre sur le sol martien !

« Le calendrier des activités d’InSight sur Mars a été meilleur que prévu« , a déclaré Tom Hoffman, responsable du projet InSight, basé au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie. « Avoir le sismomètre en toute sécurité sur le sol est un formidable cadeau de Noël. »

L’instrument SEIS a été placé doucement sur le sol, juste devant l’atterrisseur, grâce au bras robotique, au Sol 22.

Il aura fallu presque 2 heures pour réaliser ce déploiement entre le moment où la séquence automatique a démarré et l’ancrage des 3 pieds de l’instrument. Détails à lire sur le site de l’IPGP dédié à SEIS : Le second atterrissage du sismomètre SEIS

L’emplacement choisi a été fait sur plusieurs critères : aussi loin que possible des pieds de l’atterrisseur (à 1,65 m exactement), permettre au câble de l’instrument de reposer sur le sol, assurer un contact uniforme de SEIS avec la surface, et laisser de la place pour la sonde thermique HP3 qui sera posée ultérieurement.

« Le déploiement d’un sismomètre est aussi important qu’atterrir InSight sur Mars« , a déclaré le chercheur principal d’InSight, Bruce Banerdt, également basé au JPL. « Le sismomètre est l’instrument le plus prioritaire d’InSight: nous en avons besoin pour atteindre environ les trois quarts de nos objectifs scientifiques. »

Que va faire SEIS ?

L’objectif principal de la mission Insight est d’étudier l’intérieur de Mars [Insight : pour écouter battre le cœur de Mars]

L’intérieur d’une planète tellurique est organisé en zones, comme le noyau, le manteau et la croûte. Une onde sismique qui se propage est affectée par le milieu, donc analyser les perturbations de l’onde permet d’en apprendre plus sur le milieu de propagation. Et c’est possible grâce à la sismologie.

Pour cartographier l’intérieur de Mars à l’aide des ondes sismiques, il faut pouvoir cartographier leur trajectoire. Sur Terre, on utilise généralement plusieurs réseaux de sismomètres espacés de plusieurs centaines de kilomètres, couplés à la technique dite de la triangulation. On mesure le retard de l’onde à chacun des sismomètres et on peut en déduire l’origine du séisme et le chemin traversé. A savoir, plus une onde sismique parcourt de distance, plus son amplitude s’atténue.

Comme poser plusieurs sismomètres sur Mars était difficile techniquement et onéreux, il a fallu développer un sismomètre très précis qui pourra détecter les ondes une première fois quand elles passeront, mais également une deuxième et troisième fois au fur et à mesure qu’elles feront le tour de Mars en rebondissant partout.

SEIS, pour Seismic Explorations for Interior Structure, est un sismomètre, développé sous maîtrise d’oeuvre du CNES, capable de mesurer des mouvements avec une très grande sensibilité. Il est composé d’un capteur sismique très large bande qui peut mesurer des fréquences comprises entre 1 millihertz et 10 Hertz. 

Le CNES, une longue histoire d’expertise en sismomètres

Un sismomètre avait été développé pour la mission russe Mars 96 : un orbiteur et deux petites stations autonomes capables de se poser sur Mars et deux pénétrateurs qui devaient percuter la surface martienne pour étudier le sous-sol. Malheureusement le lanceur Proton a subi un dysfonctionnement majeur et Mars 96 a fini au fond de l’océan Pacifique.

Le deuxième projet qui devait embarquer un ancêtre de SEIS fut NETLANDER, une mission abandonnée par la NASA suite à la perte successive de Mars Climate Orbiter et de l’atterrisseur Mars Polar Lander.

Mais maintenant, un sismomètre français est sur Mars !

Le fonctionnement de SEIS

Tout sismomètre est composé d’une partie mobile et d’une partie fixe. Lorsque le sol bouge, les vibrations sont transmises à la partie mobile qui inscrit son mouvement sur un sismographe. Celui-ci enregistre généralement des vibrations dans une seule dimension à la fois, il faut donc trois sismomètres pour avoir les trois dimensions XYZ.

SEIS est équipé de trois pendules VBB (très large bande) qui utilisent le principe du pendule inversé pour accroître leurs précisions. Si on compare ces pendules à un sismomètre classique, on retrouve les mêmes composants : une partie fixe, avec une ossature en titane, une partie mobile à la manière d’un rocking-chair et un ressort qui relie les deux. Le ressort sur SEIS est une longue lame de métal fabriquée dans un matériau particulier appelé le Thermelast qui a une propriété très intéressante pour Mars : il stocke l’énergie des déformations thermiques sous forme magnétique sans se déformer.

Comme sur Terre, la gravité varie en fonction de l’endroit où on se trouve sur Mars. Ainsi un mécanisme d’équilibrage a été implanté. Il y aura aussi des variations de températures à l’intérieur de la sphère protectrice, évaluées à plus ou moins 10°. Le mécanisme de compensation thermique TCDM est là pour ça.

Le mouvement du pendule n’est bien évidemment pas enregistré sur une feuille de papier, il est mesuré par un capteur de déplacement, le DCS (Differential Capacity Sensor). Le DCS se trouve à l’extrémité du pivot, là où la partie mobile peut se déplacer librement dans une zone qui s’appelle l’entrefer. La partie mobile et l’entrefer sont équipés d’électrodes en céramique. Le mouvement de la partie mobile fait varier l’espacement entre les deux électrodes, ce qui crée une variation de tension, qui est enregistré par le DCS. A la sortie du capteur, cette variation de tension est de 3V par micron. Comme tout système électronique, la précision du capteur est limitée par son bruit résiduel, en l’absence d’onde sismique. Celui-ci est inférieur à 10 microvolts, cela équivaut à un déplacement de 5 picomètres. Pour donner un ordre de comparaison, le plus petit des atomes, l’atome d’hydrogène fait 106 picomètres de diamètre. La précision de mesure de SEIS est estimée à 20 fois plus petite qu’un atome d’hydrogène !

Mais SEIS devra faire face à des sources perturbations comme les amplitudes thermiques de l’environnement martien. Sur la plaine d’Elysium, la température pourrait varier jusqu’à 80°C entre le jour et la nuit. Pour s’isoler de l’environnement martien, l’instrument est placé dans une sphère en titane sous vide. La sphère est placée dans une autre enceinte de protection thermique de forme hexagonale que l’on appelle le RWEB (Remote Warm Enclosure Box). Elle est composée d’alvéoles qui ont été conçues pour utiliser l’air martien, riche en CO2, comme isolant thermique.

D’autres détails dans une vidéo à venir de la  chaîne YouTube Besoin d’Espace !

Encore des activités avant la sismologie

Dans les prochains jours, l’équipe d’InSight travaillera à la mise à niveau du sismomètre, qui repose sur un sol incliné de 2 à 3 degrés. Pour ce faire, les ingénieurs utiliseront les 3 pieds motorisés qui équipent l’enceinte de confinement sphérique des pendules. Les pieds sont capables de se rétracter et de s’étirer sur 6 cm pour ramener la sphère parfaitement à l’horizontale, avec une précision de 0,1°.

Les calibrations des 3 pendules vont aussi commencer.

Si besoin, les ingénieurs pourront optimiser le placement du câble qui permet l’échange de données et l’alimentation de l’instrument. En effet, ce cordon pourrait injecter un niveau de bruit trop important pour l’instrument.  Le câble est équipé d’une tige terminée par une petite sphère, qui permet sa préhension par le grappin du bras robotique.

Puis, début janvier, le bras robotique placera le bouclier WTS (Wind and Thermal Shield), une sorte de cloche, sur le sismomètre pour protéger l’instrument du vent martien (faible mais existant toutefois).

La partie dorée est une jupe thermique extensible qui tombera sur le sol sous l’effet de la gravité. Le pourtour inférieur de la jupe est fait en cotte de mailles qui permettra à la jupe de recouvrir des éventuels cailloux en épousant leurs surfaces et en créant une enceinte intérieure étanche. La cloche sera déployée et posée sur SEIS. Cette opération sera délicate puisqu’il y a un espace de 6 cm entre la cloche et SEIS, et Il ne faut surtout pas que les deux rentrent en contact, ce qui aurait pour effet de transmettre les vibrations.

Le déploiement de la sonde thermique HP3 sur la surface martienne aura lieu d’ici la fin janvier [Je détaillerai cet instrument à cette occasion].

Article écrit en coopération avec la chaîne YouTube Besoin d’Espace :