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Simuler un impact météoritique

Fabrice Mourau1 et Denis Guicheteau2, Juin 2019

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Cet travail s’inscrit dans le cadre du volet éducatif de la mission Insight. Nous l’avons réalisé avec une imprimante 3D et un microcontrôleur de type Arduino. Il s’adresse aux enseignants de collège qui veulent proposer des activités pédagogiques en lien avec l’exploration martienne. L’objet créé est aussi un démonstrateur destiné aux professeurs de SVT en lycée, impliqués dans la partie « Enseignement scientifique » du nouveau programme de Première. Nous décrirons comment créer un instrument permettant de modéliser les effets de la chute d’un corps. L’objectif est de simuler un impact de météorite et d’en étudier les effets en fonction des caractéristiques physiques du substrat, de la hauteur de chute et de la masse de l’impacteur. Un module électronique commandé par microcontrôleur permet de quantifier l’intensité des vibrations générées par le choc.

I. Le volet éducatif de la mission Insight

La mission Insight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) cherche à comprendre la structure interne de Mars à partir d’une station géophysique posée avec succès à la surface de la planète le 26 novembre 2018 (figure 1). Elle est le fruit d’un partenariat entre les agences spatiales américaines (NASA) et européennes (ESA). Côté Français, L’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) a développé l’instrument principal de la mission avec l’appui du CNES : le sismomètre SEIS.

La cellule éducation du laboratoire Géoazur (Université Côte d’Azur) est riche d’une vingtaine d’années d’expérience dans l’utilisation pédagogique et la didactisation des données sismiques (Sismos à l’école) puis environnementales lato sensu (Observatoire EDUMED) au sein de réseaux partenariaux enseignement/recherche. Elle coordonne le travail d’un groupe d’enseignants européens du second degré autour du volet éducatif de la mission INSIGHT. Les activités pédagogiques produites sont valorisées et partagées avec un large public de professeurs et d’élèves grâce à un site web dédié3, hébergé par l’Université Côte d’Azur. Le collège Pierre de Coubertin du Luc (Var) appartient à la fois aux dispositifs EDUMED et INSIGHT. Le travail présenté dans cet article est l’un de nombreux projets STEM (Science Technology Engineering Mathematics) que les enseignants de l’établissement développent à destination de leurs élèves, tout en les partageant au sein des deux réseaux.

 

II. Impact event : enseigner les chutes de météorite.

Le principal objectif de la mission Insight réside dans l’étude de la composition et de l’épaisseur des couches profondes de la planète Mars. Les données issues des premiers sols4 de la mission montrent que, sans tectonique des plaques, l’activité sismique de la planète est faible. Or, Seul un séisme relativement puissant peut générer des vibrations mesurables et ayant parcouru un rai sismique exploitable pour caractériser les interfaces profondes (figure 2). Les chercheurs qui suivent la mission ont anticipé cette situation et se sont préparés à attendre un autre événement, non tectonique, capable de générer des vibrations utiles : un impact de météorite !

L’étude transversale de l’aléa « chute de météorite » propose une entrée intéressante dans les programmes du second degré. Elle s’inscrit bien en SVT au cycle 4, les thèmes enseignés sont le système solaire, le risque en lien avec un phénomène naturel, l’histoire de la Terre et l’évolution de la biosphère. Des exemples d’activités pour le cycle 4 sont fournis en annexe. Au lycée, la conception de l’impacteur à l’aide d’un microcontrôleur s’inscrit dans le nouveau programme d’enseignement scientifique de Première ainsi que l’étude de la vitesse de propagation des ondes de volume à travers différentes roches :  l’impacteur remplace ici le coup de marteau ! En mathématiques au cycle 4, les parties du programme abordées sont :

  1. Le volume de l’impacteur (volume de cylindres, boules, prismes droits).
  2. La dépendance de deux grandeurs (représentations graphiques, images et antécédents, non linéarité de la fonction…).
  3. Les statistiques (si l’expérience est menée plusieurs fois, on peut calculer moyenne, médiane et étendue).
  4. Les grandeurs composées (en calculant la vitesse moyenne de l’impacteur en fonction de la hauteur).

III. Conception de l’impacteur

L’impacteur peut être fabriqué en amont par l’enseignant, puis utilisé par les élèves dans le cadre des cours de SVT, de sciences physiques, de technologie ou de mathématiques. La conception de l’instrument peut aussi être réalisée en projet. L’utilisation d’une sonde conçue avec une carte Arduino© s’intègre dans la partie « Enseignement scientifique » du nouveau programme de première. L’ensemble du code et des pièces 3D sont gratuitement mis à disposition sous licence Creative Commons autorisant le partage et la modification dans les mêmes conditions avec citation de la source. Toute monétisation de cette propriété intellectuelle est strictement interdite par les auteurs.

a. Cahier des charges : 

L’instrument a été conçu pour être facilement reproductible et adaptable. Il intègre des transducteurs et du matériel électronique à la fois basiques et peu onéreux. Les éléments structuraux non imprimés sont des profilés en acier et en PVC achetés en magasin de bricolage. Nous avons créé un module spécifique « Meteor » dans le logiciel RISSC, développé par David Ambrois. Les fichiers 3D imprimables, le logiciel ainsi que le code Arduino seront gratuitement mis à disposition sur les sites Edumed et Insight education.

b. Principe de fonctionnement : 

Un électroaimant libère un impacteur métallique d’une hauteur paramétrable. Le « météore » s’écrase dans un bac instrumenté avec un simple élément piézoélectrique, utilisé comme sismomètre. Le bac peut être rempli avec différents substrats. L’acquisition du signal issu du piézomètre est réalisée par une des 5 entrées analogique de la carte Arduino. Le signal numérisé avec une valeur numérique entière comprise entre 0 et 1023 counts5 peut être directement affiché sur le moniteur série ou sur une version ad hoc du logiciel RISSC6 développé par l’observatoire Edumed. Enfin, le fichier de données peut directement être lu et analysé avec un logiciel tableur.

c. Liste du matériel nécessaire (hors imprimante 3D)

  • Carte Arduino Uno©
  • Capteur piézo
  • Résistance
  • Un module électroaimant
  • Des conducteurs
  • Un interrupteur poussoir
  • Un boitier pour l’interrupteur
  • Vis à tôle, L= 13mm et D = 2,8 mm

d. Le montage électronique

Pour réaliser ce montage, on connecte 3 modules à la carte Arduino Uno.

A : L’électroaimant est alimenté en 5 Volts, il est commandé par un fil sur le Pin digital 13. Ce pin sera utilisé en écriture binaire, il enverra soit l’état « HIGH » ou « 1 » et l’électroaimant sera activé. Dans le cas contraire, « LOW » ou « 0 », l’électroaimant sera éteint ce qui déclenche la chute de l’impacteur.

B : Le bouton poussoir est relié en lecture sur le Pin digital 3. La carte Arduino lira l’état du bouton (0 ou 1) et commandera en conséquence l’électroaimant via le Pin 13. Afin de simplifier le montage électronique, l’interrupteur sera monté en Pull-up7 dans le code logiciel uniquement.

C : Le capteur piézoélectrique est relié à la terre et au port analogique A0 en lecture. La carte Arduino utilise son convertisseur analogique-numérique pour lire les tensions produites par effet piézoélectrique. Il va échantillonner le signal reçu et le transformer en valeurs comprises entre 0 et 1023 (d’après Genevey et al. ; 2018). Afin de protéger la carte, une résistance de 1MW sera branchée en parallèle avec le capteur. Elle pourrait d’ailleurs être doublée par une diode zenerpour éviter définitivement toute surtension délétère (Eskimon et al. ; 2019).

e. Montage de l’instrument

Notre impacteur a été conçu en 3D à l’aide du logiciel libre FreeCAD8. Les fichiers au format STL directement imprimables sont mis à la disposition de tous sur les sites Edumed et Insight Education. Le kit comprend 6 pièces imprimables auxquelles il faudra ajouter des vis, un profilé en acier de section carrée et de 12mm de côté et un profilé plastique en U de même section (12mm), utilisé comme mat vertical pour soutenir le module de l’électroaimant. Le tube vertical est simplement glissé dans le module principal alors que les profilés en acier sont collés à l’aide d’une résine binaire.

f. Programmation du microcontrôleur

Le code a été développé via le logiciel IDE (Integrated Development Environment) mis à disposition sur le site Arduino8. Nous présentons ici 2 versions qui peuvent être utilisées avec l’instrument et intégralement disponibles en Annexe (II et III).

 

  1. La première peut être facilement codée par les élèves, on se contente de commander l’électroaimant, puis de lire les valeurs issues du capteur piézo sur le moniteur série. Les données peuvent être copiées et collées dans un tableur comme Libre office Calc ou Microsoft Excel.
  2. La seconde version est conçue pour fonctionner directement avec le logiciel RISSC. Spécialement développée par l’observatoire Edumed, cette application permet une visualisation directe des courbes et un export possible des données en fichier CSV.

IV. Quelques exemples de mise en œuvre de l’instrument

Préparation de la mesure :

Le bac de réception est rempli de farine (figure 10). L’électroaimant est branché à l’aide des conducteurs et l’impacteur est relié à l’ordinateur. On lance le logiciel RISSC ou le moniteur série de l’application Arduino.

A. Géomorphologie d’un cratère d’impact.

Pour réaliser cette observation, les élèves recouvrent la farine d’une ou plusieurs couches de poudres de craies colorées. Les élèves simulent un impact, puis identifient certains des éléments caractéristiques d’un cratère météoritique (figure 11). Le bac de réception de l’instrument est mobile, on peut l’incliner et tester différents angles d’incidence au moment de l’impact.

B. Quantifier l’énergie libéré au moment de l’impact.

Les élèves de quatrième savent qu’une vibration sismique est causée par une libération d’énergie mécanique lors d’une rupture de la lithosphère. Qu’elle est l’énergie à l’origine des ondes sismiques mesurées après un impact ?

À chaque impact, on détermine l’amplitude maximum sur le « sismogramme ». Ces amplitudes sont reportées sur un diagramme en fonction de la hauteur de chute. On détermine ainsi que l’intensité de l’aléa « chute de météorite » /Impact event augmente avec la vitesse d’impact et la masse du météore (figure 13).

V. Discussion

La mission INSIGHT transpose à Mars une approche géophysique « classique » sur Terre, enseignée au collège et en classe de Première. Elle permet une mise en perspective du modèle PREM, un enseignement transversal des énergies et du risque en lien avec l’évolution de la biosphère. Elle constitue un incroyable facteur de motivation pour les élèves qui deviennent acteurs de l’exploration du système solaire ! Depuis juin 2019, cette dimension participative est encore renforcée grâce à l’accès aux données météo et sismo du lander9.

Dans un premier temps, la modélisation permet de relier les phénomènes physiques mis en jeu aux observations de la réalité sur plusieurs planètes et satellites (cf. annexe I). Ensuite, la conception de l’instrument et l’analyse des résultats expérimentaux engage une réflexion plus méthodologique sur la notion de modèle et ses limites intrinsèques (figure 14)

Nous avons constaté une bonne corrélation entre les mesures impliquant un impacteur de 10 grammes et le calcul théorique de l’énergie cinétique (figure 13). À partir d’une certaine hauteur de chute, on enregistre systématiquement l’arrivée de 2 trains de vibrations distincts (figure 12D). Nous interprétons ces résultats par un rebond de l’impacteur contre le fond du bac de réception. Par contre, les expérimentations avec un impacteur de 4 grammes diffèrent plus du calcul théorique. Nous supposons que, dans ces cas-là, l’impacteur est fortement ralenti par la farine dont la déformation dissipe une grande partie de l’énergie cinétique.

VI. Perspectives

L’analyse de nos premiers résultats suggère qu’il serait pertinent de recréer un bac de réception plus profond et de varier la nature du substrat de réception. Autre piste de développement, nous pensons apporter une modification au code Arduino afin d’identifier un T0 au moment de lâcher l’impacteur. Il permettrait de mesurer un temps de chute et donc de calculer des vitesses. En remplaçant le bac par des barres de roches, on peut également démontrer des différences de vitesse de propagation et reproduire en partie les résultats attendus par la mission. Il est difficile de mesurer avec précision la hauteur de chute sur ce modèle. Il semble judicieux d’intégrer un télémètre à ultrason HC-SR04 (figure 15) et un afficheur LCD au support de l’électroaimant. Ce sera le travail que mèneront l’an prochain les élèves de quatrième du collège Pierre de Coubertin !

F. Mourau1 et D. Guicheteau2

Remerciements : Jean-Luc Berenguer pour l’énergie qu’il réussit à nous transmettre, Benoit Gérossier pour nous avoir fait découvrir l’Arduino alors méconnu, Philippe Cosentino pour supporter et soutenir avec passion l’équipe des geeks de SVT.

Notes de bas de page  :

1 : Professeur de sciences de la vie et de la Terre et 2 : Professeur de mathématiques au collège Pierre de Coubertin, Éducation Nationale

3 : http://insight.oca.eu

4 : Le temps martien est mesuré en jours martiens dits « Sols »

5 : Le count est une unité électronique arbitraire produite par le numériseur de la carte Arduino  et correspondant ici à 5/1024ème de Volts.

6: RISSC: Recorder Interface for Sensors at SChool – http://edumed.unice.fr/fr/contents/news/tools-lab/RISSC

7 : De nombreux parasites électriques peuvent induire en erreur la simple lecture de l’état d’un interrupteur. Pour les supprimer, on met le système en quelque sorte « à la masse » par un montage dit de Pull-up. Le code Arduino prévoit un traitement logiciel qui permet de s’affranchir de ce montage en utilisant des résistances pré intégrées à la carte. C’est la solution que nous avons choisie.

8 : FreeCAD est un logiciel libre de conception paramétrique assistée par ordinateur (CAD pour Computer Assisted Design). Il est soutenu par une communauté nombreuse et traduit partiellement en français. https://www.freecadweb.org/?lang=fr/

9 : Emplacement prévu pour un module ADXL345 sur 3 axes. On peut monter les 2 capteurs simultanément et les brancher sur le module Arduino. Le code fourni ne prend pas en compte l’accéléromètre. C’est à vous de l’écrire !

10 : https://www.arduino.cc

11 : https://insight.oca.eu/fr/data-insight

Références

 Azemard M., Giovinazzo E. et Mohovic A., 2019, Mission Insight, voyage au cœur d’une planète, mémoire de TPE, lycée Thomas Edison, Lorgues

BOEN spécial n°11 du 26 novembre 2015, Programmes d’enseignement du cycle des apprentissages fondamentaux (cycle 2), du cycle de consolidation (cycle 3) et du cycle des approfondissements (cycle 4). Arrêté du 9-11-2015 – J.O. du 24-11-2015. Bulletin Officiel de l’Éducation Nationale

BOEN spécial n°1 du 22 janvier 2019, Programme de l’enseignement de sciences de la vie et de la Terre de la classe de seconde générale et technologique ; Programme d’enseignement de spécialité de sciences de la vie et de la Terre de la classe de première de la voie générale ; Programme d’enseignement scientifique de la classe de première de la voie générale arrêté du 17-1-2019 – J.O. du 20-1-2019. Bulletin Officiel de l’Éducation Nationale

Eskimon, janvier 2019, Arduino : premiers pas en informatique embarquée. https://eskimon.fr

Exploring the Moon — A Teacher’s Guide with Activities, NASA EG-1997-10-116-HQ

Genevey F. et Dulex J.P., septembre 2018, Arduino à l’école : Cours pour l’apprentissage des bases de l’électronique et de la programmation sur arduino. https://arduino.education

Panning, Mark P. and Lognonné, Philippe and Bruce Banerdt, W.,… [et al.] Planned Products of the Mars Structure Service for the InSight Mission to Mars. (2017) Space Science Reviews, 211 (1-4). 611-650. ISSN 0038-6308

Salomon J.N. et Auly T., « Impacteurs et astroblèmes : essai de classification et approche géographique », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 16 – n° 1 | 2010, mis en ligne le 01 avril 2012, consulté le 24 juin 2019. URL : http://journals.openedition.org/geomorphologie/7866 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.7866

Sitographie :

Insight education : https://insight.oca.eu

Observatoire Edumed : http://edumed.unice.fr/fr

Fritzing : http://fritzing.org/home/