Des chercheurs suisses veulent scruter la Lune à l'aide de fibres optiques
Les futures missions lunaires pourraient utiliser un outil que nous connaissons bien grâce à l'Internet haut débit chez nous : les câbles à fibres optiques. Des chercheurs de l’EPFZ et des États-Unis étudient actuellement si ces câbles légers peuvent aider à explorer l'intérieur de la Lune et à mesurer avec précision les séismes du sol sélène.
Cela fait longtemps : en 1972, les derniers astronautes d’Apollo ont installé des instruments sismiques sur la Lune. Ceux-ci ont fonctionné jusqu’en 1977 et ont recueilli des milliers de données sur les séismes lunaires. Aujourd’hui encore, les scientifiques s’appuient sur ces informations, qui n’offrent toutefois qu’un aperçu fugace de l’intérieur de la Lune.
C'est pourquoi des chercheurs de l’EPFZ, sous la direction de Johan Robertsson, Professeur de géophysique appliquée, étudient une nouvelle approche pour analyser la structure interne de la Lune. Des partenaires internationaux participent également à ce projet, notamment le Los Alamos National Laboratory au Nouveau-Mexique, aux États-Unis.
L'idée est la suivante : au lieu d'installer une multitude de sismomètres lourds, un petit rover lunaire pourrait déployer des kilomètres de câbles en fibre optique très légers à la surface de la Lune. Ces câbles fonctionnent comme des milliers de minuscules capteurs qui enregistrent chaque secousse provoquée par des tremblements de Lune, des impacts de météorites ou des alunissages. Cette nouvelle approche vient d’être publiée dans la revue externe Earth and Space Science.
Détecter les séismes lunaires grâce à la diffusion de la lumière
Pour leur projet, les chercheurs utilisent la technologie dite DAS (Distributed Acoustic Sensing). Un laser envoie des impulsions lumineuses à travers un câble à fibre optique. De minuscules irrégularités dans la fibre diffusent la lumière, ce qui est enregistré par un appareil de mesure.
Si des ondes sismiques font vibrer ou étirer le câble, cela modifie la diffusion de la lumière. En analysant la lumière diffusée, les scientifiques peuvent détecter les ondes sismiques. Le décalage temporel des signaux indique à quel endroit du câble le mouvement s’est produit.
Une seule fibre, aussi fine qu’un cheveu humain, fonctionne comme des milliers de capteurs répartis de manière uniforme. Même un câble de quelques kilomètres de long peut enregistrer des signaux avec une résolution spatiale supérieure à celle d’un réseau classique de sismomètres.
Sur Terre, les chercheurs utilisent déjà la technologie DAS pour surveiller les tremblements de terre et les glissements de terrain, voire pour suivre les migrations des baleines dans les océans.
Les ultrasons pour la Lune
Les chercheurs de l’établissement zurichois envisagent également d’autres applications. « Les vibrations générées par les atterrissages et les décollages des engins spatiaux pourraient servir de sources sismiques actives et permettre ainsi de cartographier les structures sous la surface lunaire, à l’instar d’une échographie médicale », souligne Simone Probst, autrice principale de l’étude et doctorante au sein du groupe de Robertsson.
Les câbles pourraient également mesurer la quantité de poussière lunaire soulevée par le recul des fusées lors de leur atterrissage. Cela aidera les futurs astronautes à mieux évaluer et à éviter les dangers liés à cette poussière extrêmement fine.
La Lune est idéale pour la détection des séismes à l’aide de câbles à fibre optique. Simone Probst et Carly Donahue, ancienne chercheuse principale à l’EPFZ, ont mené des tests à Los Alamos avec du basalte broyé afin de reproduire la surface lunaire recouverte de régolite fin.
Ces tests en laboratoire ont donné de bons résultats : les câbles plus épais captaient tout aussi bien les signaux sismiques, qu’ils soient posés à la surface ou enfouis dans le basalte.
« Il est important de comprendre comment les câbles se comportent dans différentes conditions », explique Probst. « Nous avons également utilisé des simulations informatiques pour étudier la force avec laquelle les câbles sont liés au sol et comment cela varie sous l’effet de la gravité lunaire. »
Des scientifiques avaient déjà découvert que le vent modifie les signaux des câbles à fibre optique sur Terre. Sur la Lune, cependant, il n’y a pas d’atmosphère et donc pas de vent. Les câbles pourraient donc être simplement déroulés à la surface, sans être enfouis. Les tests menés par les chercheurs en laboratoire avec de la poussière lunaire artificielle ont montré que les câbles reçoivent parfaitement les signaux même lorsqu’ils sont simplement posés à plat sur le sol.
La recherche d’eau et de tubes de lave
« Les capteurs à fibre optique pourraient considérablement élargir notre compréhension de la Lune, de son intérieur, de ses tubes de lave, de ses sites d’atterrissage et de ses ressources en eau », explique Johan Robertsson, professeur à l’EPFZ, qui a dirigé l’étude. « De longs câbles pourraient également capter les signaux des forces de marée provoquées par la gravité terrestre. »
Cette technologie pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre comment les ondes sismiques se propagent à travers la Lune. « Nous pensons même qu’il serait possible, grâce à des fibres optiques sur la Lune, de détecter des ondes gravitationnelles qui excitent les modes propres de la Lune », explique Robertson.
Pour l’équipe de l’EPFZ, ces recherches s’inscrivent dans le cadre d’un projet plus vaste visant à développer de nouvelles technologies de capteurs. Si ce projet aboutit, des réseaux de fibres optiques pourraient un jour s’étendre à la surface de la Lune, faisant de celle-ci l’un des laboratoires sismiques les plus densément équipés en instruments en dehors de la Terre.
Journées de la technique : l’espace au centre de l’attention
L'espace est au cœur des Journées de la technique, organisées par Swiss Engineering en collaboration avec ses partenaires le 22 septembre à Lausanne et le 24 septembre à Dübendorf. Plus d'informations sur www.journees-de-la-technique.ch
Contribution de: Marianne Lucien, EPFZ