Nausicaa, centre national de la mer
Chimie Itinérante : questionnaire post-visite
B.H.A.F. envoie la Coupole dans la stratosphère
Chaque année, la semaine de la Fête de la Science donne lieu à de nombreuses manifestations sur le territoire Audomarois coordonnées par le service pédagogique de la Coupole et sous l'impulsion du professeur missionné. Ainsi, depuis 2012, ce sont plus de 800 d'élèves qui viennent, chaque année, fêter la science à la Coupole.
Au fil du temps, l'offre n'a cessé de s'étoffer : ateliers scientifiques à destination des cycles 3 et 4, expositions temporaires, conférences, démonstrations de rue, pièces de théâtre, vidéos, programmation des bus « mystère » (dont la destination est inconnue des passagers) … La fête de la Science c'est aussi le moyen d'établir des liens forts entre les structures muséales, scolaires et scientifiques de la région (le musée Sandelin, le musée Azincourt, Enerlya, la maison du Papier, Planète Science, Eden 62, l'office de tourisme de St Omer, Lycée Ribot, Lycée Blaise Pascal, Lycée de l'AA, collège de la Morinie, l'aéroclub de Saint Omer ..)
B.H.A.F. ou les Ballons de Haute Altitude de France...
L'édition 2017 n'a pas dérogé à cette tradition et a vu l'arrivée d'un nouvel interlocuteur de qualité : l'association des Ballon Haute Altitude France (BHAF) présidé par M. Verbrugge, professeur d'électrotechnique retraité.
Fondée en 1996, le BHAF rassemble scientifiques et radio-amateurs autour d'un projet commun : faire des expérimentations scientifiques, ayant rapport avec les ondes électromagnétiques qui sont transmises en permanence par les radioamateurs de tous les pays du monde et contribuer à réaliser des expériences et des mesures en temps réel sur des paramètres de la physique de l’atmosphère et de la météo.
Invité à participer en tant qu'expert à une formation pour professeurs de maths-Science à la Coupole (MSLP8 – Du Soleil à la ceinture de Kuyper) dès le mois de Mars 2017, M. Verbrugge avait fait l'étonnante démonstration de ses énormes ballons sondes solaires qui permettent d'atteindre les 30 000 m d'altitude sans hélium et qui redescendent sitôt la nuit tombée !
C'est alors qu'est née l'idée de développer le concept exactement opposé : placer une nacelle expérimentale de moins de 250g à plus de 30 000 m d'altitude. Le PICO-BALLON était né !
Mais les problème à surmonter allaient se révéler nombreux, en aérostation et en microélectronique.
Ballon solaire ou ballon hélium ?
Les ballons hélium ont été testés depuis plus de 20 ans, mais il est important de chercher d'autres voies vers l'atmosphère de 0 à 50 km, zone encore peu étudiée de la haute atmosphère. Les ballons solaires constituent une alternative à bas coût.
Les ballons solaires sont, de loin, les dispositifs sustentateurs les moins onéreux. Pour faire simple, un ballon solaire se compose d'une enveloppe hermétique emprisonnant un certain volume d'air capable de capter la chaleur des rayons du Soleil. La température du gaz augmente ainsi que son volume et, suivant le principe d'Archimède, le dispositif décolle dans l'air plus froid.
En pratique, une enveloppe de 48 m3 fabriquée en assemblant des plastiques noirs de 20 microns, peut emporter plus de 1,5 kg à 30 000 m d'altitude. Cependant, plus l'enveloppe est petite plus le calcul de la sustentation est difficile car la dissipation d'énergie calorifique devient très importante. En effet, le rapport volume sur surface chauffée diminue fortement pour des ballons inférieurs à quelques m3. Après moultes brainstorming et feuilles de calcul, nous allions finalement opté pour un design mixte. Un ballon solaire gonflé à l'Hélium, pour profiter à la fois de la légèreté de l'Hélium et de la capacité du Soleil à chauffer le gaz, le rendant encore plus « léger ». Autre avantage décisif, cette conception originale permet d'économiser une partie de l'hélium et, ainsi, de baisser considérablement le coût du lâcher. Le jour du lâcher, nous devrons alors optimiser le volume d'Hélium pour atteindre exactement l'altitude souhaitée pour la charge emportée.
Une case à équipement de moins de 250g adaptée au pico-ballon...
Comment installer du matériel expérimental dans une nacelle dont le cahier des charges précises que capteur et informatique embarqués ne doivent pas excéder 250g pour un volume maximale de 2 m3 et une autonomie de 3h ? La solution technologique était à portée de main...
En effet, depuis de nombreux mois, la Coupole, par l'intermédiaire de son missionné C.A.S.T., a pris le virage de la robotique. De nombreux ateliers de cycle 3 sont proposés chaque année sur la base de robots LEGO et un important concours de collège est mis en place chaque année « Coupole's Day » sous le patronage de M. Dehouck, astrophysicien, spécialiste des rover martiens. Ce concours auquel ont participé 110 élèves de 4ème leur a permis d'investir leur nouvelle compétence de programmation (SCRATCH) appliqué sur la nano technologie RASPBERRY.
Les mini-rovers tout terrain, entièrement conçus à la Coupole, sont équipés de nano ordinateurs Raspberry et de capteurs à ultra-sons. Ces nano-ordinateurs, équivalent à un pentium des années 2000, consomment moins de 5W et peuvent fonctionner 8h à l'aide d'une petite batterie lithium, tout en enregistrant les valeurs de capteurs divers. C'est sur cette base de rapsberry reconditionné pour l'occasion que la nacelle fut élaborée et testée.
Autorisation de décollage ?
L'espace aérien est un domaine sensible pour la sécurité, et il est très important, pour ces expériences sensibles, de développer des partenariats avec des structures qui ont fait montre de leur professionnalisme à diverses occasions.
Mr Verbrugge était membre du CIRAS de Lille pendant sa période d'activité en lycée. Fort de son expérience et de son réseau, le BHAF a obtenu la confiance de la Direction Générale de l'Aviation Civile (D.G.A.C.) de Lille, et l'autorisation de lâcher des ballons stratosphériques en utilisant la procédure normale (ballon léger unique de moins de 4kg, lancé à des fins scientifiques, dans le cadre d'une manifestation privée sur invitation), s'étant assuré au préalable de l'accord du président de l'aéroclub de St Omer pour utiliser son terrain comme base de lancement.
Dispositif de récupération...
Typiquement, un vol en ballon sonde dure entre 2h et 3h, mais la distance parcourue peut être très grande selon les vents rencontrés (record 825 km). Toute la difficulté consiste alors à retrouver le ballon et les équipements. Dans une certaine mesure, les ballon-sondes peuvent être automatisés. A l'aide d'un « coupe-fil » maison, on peut en effet désolidariser la nacelle du ballon au moment opportun pour contrôler le lieu de chute. Ce dispositif, entièrement réalisé à l'aide d'un Arduino relié à un capteur de pression, est prévu pour désolidariser la nacelle du ballon en-dessous de l'altitude choisie (par exemple 40 hPa). Une simple pile carrée de 9V suffit à assurer l'autonomie du dispositif pendant plus de 10h.
Ce procédé original a été mis au point par le BHAF au cours de plusieurs vols. Le cahier des charges précise qu'il faut un parachute pour tous les éléments séparés, et les parachutes sont dimensionnés selon les masses des composants de la chaîne de vol.
Le réglage choisi devait correspondre à une altitude maximale de 21 000m suivi de la chute de la nacelle avant éclatement de l'enveloppe.
De plus, un troisième étage est rajouté : une radiosonde de type M10 modifiée générateur de données sur 434,25 MHz et son antenne, afin de repérer le ballon en vol par triangulation et déterminer le point de chute avec les coordonnées GPS transmises vers le sol. C'est une sécurité supplémentaire à la nacelle école susceptible d'utiliser un autre GPS en test.
Début Octobre, nous étions alors fin prêts pour notre test qui devait se dérouler au cœur de la fête de la science, le matin du samedi 14 Octobre 2017. Expérience précédée d'un cours dispensé à l'aéroclub pour les élèves du Brevet d'Initiation à l'Aéronautique, une excellente illustration de leur cours d'aérostatique... Une matinée fort chargée en perspective.
Il est 8h30 sur le tarmac de l'aérodrome. Un petit matin frileux mais sans nuages et surtout sans vent. Bref, des conditions idéales pour un lâcher de ballon. Nous avons deux heures devant nous pour déployer le matériel, choisir le meilleur emplacement, répéter les consignes de sécurité et mettre en route les systèmes électroniques. 30 minutes avant le décompte, la nacelle est bouclée, les enregistrements de données physiques ont commencé et la chaîne de vol est complète. Elle comprend, le ballon auquel est rattaché le coupe fil, le réflecteur, l'émetteur 434 Mhz et les instruments scientifiques. Après le feu vert de l'aviation, 15 minutes avant nous commençons le gonflage du mini ballon à Hélium, mais avec le vent qui se lève nous procédons à un gonflage sous bâche. Enfin, à 11H01 (heure locale), 9h01 UTC, notre pico-ballon s'élève à 2 m/s direction Nord, il est au-dessus de la ville de St Omer. Il restera visible plus de 5 minutes dans le ciel pur. Il est alors grand temps pour notre spécialiste de partir à la chasse au ballon en véhicule équipé réception radio et logiciel de cartographie avec la trajectoire en temps réel qui se trace au fur et à mesure du vol.
Un lâcher de ballon ne laisse pas de place à l'improvisation. On s'adapte à l'esprit du spatial, où on réalise avec lenteur mais avec des tests avant le vol, pour éviter le plus possible les échecs. C'est pourquoi, le système GPS est installé au minimum en deux exemplaires. Tout est testé de nombreuses fois avant le vol.
Ainsi la trajectoire du ballon, qui dépend des vents porteurs, est longuement étudiée et analysée en amont à l'aide de logiciels dédiés tels que le logiciel « balloon track » qui a fait ses preuves et conçu par une association ballon des USA. Plusieurs cas sont envisagés, selon la météo de la date prévue. Il faut s'assurer avant tout que la nacelle ne franchira pas de domaines interdits et enfin qu'elle sera récupérée sur un sol ferme et en zone sécurisée.
Pour plus de précision, le BHAF a développé la technique de doser le volume d'Hélium, et de dimensionner les parachutes.
Mise au point avec les vols précédents de 2015 et 2016.
C'est muni de toutes ces informations et d'une longue expérience que M. Verbrugge s'en est allé suivre notre ballon en voiture en faisant des points « réception gonio » réguliers. Cassel... Ypres puis la banlieue de Courtrai … puis perte du signal sans doute suite à la disparition sous l'horizon du ballon à 1920 m d'altitude. Pour retrouver le ballon, il lui fallut alors trianguler sur les deux dernières positions connues et s'approcher au plus possible du lieu d'atterrissage en espérant que le ballon émette encore au sol. Ouf, il est 15h30 quand la nacelle est aperçue au milieu d'un champ. Champagne !
La carte micro SD allait alors nous révélait des surprises, bonnes et moins bonnes. Tout d'abord, les conditions d'altitude n'ont pas du tout altéré ni l'électronique du Raspberry ni sa batterie suffisamment protégé dans leur nacelle de polystyrène. Les photos prises pendant le vol démontre qu'une altitude supérieure à 14 000 m a été atteinte mais inférieure à 21 000m.
Nous visions 21 000m, mais la difficulté de notre entreprise repose sur la taille du ballon et l'emport d'hélium en fonction de la masse totale. Celle-ci était supérieure de 20% au cahier des charges, la vitesse de montée inférieure à la valeur nominale et le temps de vol pour atteindre les 21 000 m plus long ! Quant aux données physiques, nos capteurs ont tenu la distance sur les premiers milliers de mètres d'ascension, mais ont atteint leur limite par la suite. Aussi, nous ne disposons pas de la mesure de température au dessus de 4 000m. Sauf, les données reçues par la radiosonde M10 de secours.
Cette première tentative est riche d'enseignement, sur le choix des capteurs, sur le respect du cahier des charges pour coller aux calculs, et sur la faisabilité de ces lâchers en milieu scolaire.
Tout ce projet doit se faire en travail d'équipe, en se partageant les tâches et en communiquant à tous les moindres détails de la réalisation. Comme dans le spatial !
Dès 2018, riche de notre expérience, nous allons proposer aux collègues de Math-Science la possibilité de passer l'agrément de lâcher de ballon-sondes auprès du BHAF au cours de la formation « Science et Météo » MSLP14 pendant laquelle nous ferons une démonstration de ballon captif à 100m et de pico-ballon. Nous espérons que nos collègues seront nombreux à tenter de développer des projets de classe avec l'aide du service pédagogique de la Coupole et du BHAF, qui se charge de la logistique et notamment de la déclaration et de l'assurance obligatoire. Une base de données est à la disposition sur Internet sans inscription.
Concernant les pico-ballon, nous ne pouvons pas nous arrêter à cette première tentative. Rendez-vous est donné en Octobre 2018 pour un défi d'ampleur : le lâcher d'un pico-ballon, totalement piloté en Raspberry, d'une autonomie illimitée grâce à un panneau solaire, prévu pour faire le tour du Monde, et dont la trajectoire sera visualisée en direct sur le site mondial*.
Avis aux scientifiques amateurs et radio-amateurs du monte entier** !
Site de l'association anglaise issue de CAMBRIDGE Churchill College. (James Coxon).
M. André, professeur de Sciences Physiques, missionné C.A.S.T à la Coupole/Planétarium3D