Piégé dans la glace

À bord de la plus grande expédition de recherche arctique de tous les temps

La glace arctique disparaît – la question est de savoir à quelle vitesse. La glace de mer estivale pourrait durer 100 ans de plus, ou bien elle pourrait disparaître au cours de cette décennie, avec des conséquences désastreuses pour le reste de la planète. Pour trouver la réponse, une expédition au sommet du monde doit découvrir la physique complexe de la glace. 

MOSAiC – Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (Observatoire pluridisciplinaire dérivant pour l’étude du climat arctique)

En septembre 2019, le brise-glace de recherche allemand Polarstern est parti de Tromsø, en Norvège, pour passer une année à dériver dans l’océan Arctique – pris dans les glaces. Se retrouver coincé dans la glace de mer est normalement la dernière chose que les navires veulent faire. Cependant, le brise-glace allemand sera pris au piège dans la glace arctique pendant un an. Cela permettra aux chercheurs polaires d’étudier l’hiver polaire pendant que le Polarstern fera un voyage inconnu sur les courants marins. 

L’objectif de l’expédition MOSAiC est d’examiner de plus près l’Arctique en tant qu’épicentre du réchauffement climatique et d’acquérir des connaissances fondamentales qui sont essentielles pour mieux comprendre le changement climatique mondial. Plus de 70 instituts de recherche de 20 pays participent à l’expédition, qui suit les traces de l’expédition pionnière de Fridtjof Nansen avec son voilier en bois Fram en 1893-1896, l’expédition MOSAiC amènera un brise-glace de recherche moderne près du pôle Nord pendant une année entière, et pour la première fois pendant l’hiver polaire. 

À bord du Polarstern se trouve un système d’acquisition de données de Gantner Instruments pour mesurer les efforts sur la structure en acier du navire. Les données mesurées sont destinées à fournir une meilleure compréhension des exigences en matière de résistance aux glaces afin d’optimiser les futurs brise-glaces.

Comprendre les charges induites par la glace sur les brise-glace

Même pour le solide Polarstern et son équipage très expérimenté, l’expédition MOSAiC représente un véritable défi. La présence de glace en mer est le principal facteur qui entrave de telles expéditions dans l’Arctique. La glace est un matériau complexe et induit des pressions élevées au contact des navires. Les chercheurs de l’Institut pour la conception et l’analyse des structures des navires de  l’Université de technologie de Hambourg(UTH) participent au programme MOSAiC pour mieux comprendre les exigences de résistance aux glaces afin d’optimiser la conception structurelle des futurs navires brise-glace.

La nature de la résistance aux glaces en tant que force longitudinale moyenne (Riska K., Design of ice breaking ships, Course material NTNU ; 2011)

Système de surveillance des contraintes

Un système de surveillance des contraintes a été installé à l’intérieur du Polarstern qui utilise un système d’acquisition de données Gantner Instruments Q.series X pour la mesure à long terme des charges agissant sur la structure en acier du navire lorsqu’il est pris dans la glace. Le système d’acquisition acquiert des données en continu à partir de 36 capteurs de jauge de déformation installés sur la structure de la coque du brise-glace. La contrainte de cisaillement est mesurée à l’aide de quatre jauges actives dans une configuration en pont complet, tandis que la contrainte linéaire est également mesurée à l’aide d’une configuration en pont complet mais avec deux jauges actives et deux jauges passives pour la compensation de la température. Les capteurs sont câblés à un module Q.bloxx XL A116 I/O  pour un conditionnement précis et avec une faible dérive du signal. Le Q.bloxx XL A116 dispose de huit canaux d’entrée pour les jauges de déformation en pont complet, demi-pont et quart de pont. Chaque canal est configurable individuellement et est livré avec des fonctions de conditionnement de signal pré-élaborées comme la linéarisation, le filtrage, l’étalonnage du shunt et la compensation du fil conducteur. 

Les données de mesure in situ sont précieuses

L’expédition MOSAiC offre une occasion unique de recueillir de précieuses données in situ pour une compréhension complète de la charge induite par la glace sur la structure du navire. La principale raison de choisir la Q.series X est sa capacité à effectuer un enregistrement fiable sur le long terme et de manière autonome, sans qu’un PC ne soit connecté. Comme il n’y a pas de liaison pour la transmission des données entre le Polarstern et la terre ferme, les données sont enregistrées sur une clé USB et transportées à terre à chaque changement d’équipage. La clé USB est connectée à un contrôleur haute performance Q.station X qui écrit en permanence des fichiers de données sur la clé USB. Chaque fois que l’équipage remplace une clé USB entièrement remplie, toutes les données de mesure intermédiaires sont mises en mémoire tampon, puis transférées sur la nouvelle clé USB. Aucun échantillon de données n’est perdu. Les données sont écrites en parallèle sur une seconde clé USB.

Système de surveillance des contraintes installé à l’intérieur du brise-glace Polarstern

Vue de l’intérieur du coffret avec Q.bloxx XL A1116,Q.station X et onduleur

Avec la Q.station X, différentes techniques de réduction des données peuvent être appliquées pour optimiser la taille des fichiers de mesure tout en produisant les mêmes résultats d’analyse. Le système de surveillance des contraintes échantillonne à une fréquence de 1000 Hz, mais les données sont écrites sur les clés USB avec un taux d’échantillonnage de seulement 1 Hz pour minimiser l’espace disque nécessaire. En plus de la sauvegarde des valeurs mesurées, la moyenne, l’écart type et les valeurs min/max sont calculées et stockées sur le disque. Lorsque le système de surveillance détecte un changement soudain de la charge induite par la glace sur la structure, un enregistreur basé sur un événement est déclenché pour enregistrer les données de déformation autour de cet événement à un taux d’échantillonnage plus élevé. Ces données sont alors enregistrées dans un fichier séparé pour une analyse rapide et efficace.

Un onduleur (UPS), installé à l’intérieur de l’armoire, assure la continuité de la transmission des données lors d’une perte temporaire de courant. En cas de panne de courant persistante, l’UPS envoie un signal à la Q.station X lorsque sa batterie est déchargée. L’enregistrement des données est alors arrêté et toutes les opérations d’écriture sur les clés USB sont interrompues sans qu’aucune corruption des données ne se produise. Lorsque le courant revient, le système de surveillance redémarre automatiquement et continue à mesurer là où il s’est arrêté.

Le système de surveillance des contraintes fonctionne depuis plusieurs mois maintenant. Avec le premier échange d’équipage, une première série de données a été transférée avec succès à l’UTH d’Hambourg. La Q.series X a de nouveau fait ses preuves en tant que solution d’acquisition de données fiable pour les applications de surveillance à long terme, même lorsqu’il est pris au piège dans la glace.

L’ itinéraire du Polarstern, actualisé toutes les heures, est disponible ici.

Facteurs de la réussite

Qu’est-ce qui est crucial pour que ces 12 mois de mission de surveillance soient couronnés de succès ?

• Enregistrement fiable et autonome des données vers plusieurs cibles
• Visualisation des données des événements importants.
• Transfert des données facile et rapide
• Conception et production à partir d’une solution standard avec un délai de livraison très court

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