Un gain de précision équivalent au passage de la montre mécanique à la montre à quartz, voire du quartz à l’horloge atomique. C’est peu dire que le Cnes prépare un bond technologique immense. Son projet CARIOQA, lancé le 16 janvier, vise à envoyer en orbite un accéléromètre atomique à bord d’un satellite à la fin de la décennie. «Une première mondiale», tient à rappeler Félix Perosanz, responsable des programmes spatiaux d’observation de la Terre-Solide. L’expérience devrait à terme participer à améliorer la précision des mesures de la gravité et donc l’observation de la fonte des glaces, des pluies et sécheresses, des mouvements de magma et des plaques tectoniques…
Piloté par l’organisme français, le projet embarque l’agence spatiale allemande (DLR) ainsi que les branches française et allemande d’Airbus Defence and Space et des laboratoires publics des deux pays. L’entreprise Exail, experte de la technologie des capteurs à atomes froids, est aussi de la partie. «Les agences spatiales pilotent et les industriels réalisent avec l’aide des laboratoires. On s’appuie sur une expertise française murie de longue date dans nos labos scientifiques, pointe le responsable. L’un des enjeux de la mission est, outre la technologie, de préserver l’avance industrielle française sur le domaine.»
Un démonstrateur technologique
Le capteur quantique qui sera envoyé en orbite ne participera pas tel quel à des missions d’observation. «C’est une mission de démonstration technologique, pour démontrer que l’instrument peut fonctionner dans l’espace avec un niveau de performance suffisant, précise Thomas Lévèque, directeur technique du projet. La plateforme ne permet pas d’utiliser le capteur pour une mission scientifique, elle est optimisée pour en tester les caractéristiques.»
Adapter l’instrument à l’environnement spatial n’a rien d’évident. Si les chercheurs sont «habitués aux contraintes de robustesse, de compacité et de compatibilité avec une plateforme spatiale», ceux-ci font face à un défi de taille : «l’adaptation de l’instrument à la microgravité», souligne Thomas Lévèque. «C’est un changement de paradigme énorme pour un capteur inertiel», assure-t-il. Et ce alors que «même au sol, ces instruments quantiques sont industrialisés depuis très peu de temps», rappelle Félix Perosanz pour insister sur «le pas de géant auquel on s’attaque».
Les atomes : la référence inertielle parfaite
Contrairement à un accéléromètre classique, qui mesure le déplacement d’une masse par rapport à un point de référence, un dispositif quantique de ce type se base sur les mesures d’un nuage d’atomes. «Les atomes sont refroidis par laser et ne bougent quasiment pas, ce qui nous permet de les observer très longtemps, précise Thomas Lévèque. Lorsqu’on libère le nuage, il est soumis à la gravité et rien d’autre : c’est donc la référence inertielle parfaite.»
Le scientifique reprend l’analogie de la montre à quartz et de l’horloge atomique. «On peut mesurer le temps sur des atomes sans aucune dérive, c’est la même chose pour les accélérations : si la mesure repose sur des atomes, on peut identifier tous les biais qui entrainent des erreurs, détaille-t-il. C’est un saut technologique majeur car les accéléromètres électrostatiques, classiques, ont une marge de progression très faible ; la technologie atomique, elle, peut encore énormément progresser.»
Dépasser les limites des accéléromètres existants
Reste une question : à quoi peut bien profiter ce saut technologique ? Pour le comprendre, il faut se pencher sur la mission américano-allemande GRACE, lancée en 2002, puis relancée en 2018 et toujours en cours. «Celle-ci repose sur deux satellites distants d’une centaine de kilomètres, sur une même orbite, dont on mesure précisément la distance relative, décrit Félix Perosanz. Lorsque le premier passe au-dessus d’une anomalie de gravité – une montagne par exemple – sa course est changée : la répartition de la masse terrestre influe sur la distance entre les deux satellites.»
Mesurer l’écart entre les deux satellites permet ainsi de déduire les variations de gravité sur leur parcours. «Mais pour faire cela il faut retirer tous les signaux autre que la gravité : les résidus d’atmosphère, les radiations solaires ou thermiques venues de la terre peuvent freiner un satellite, continue l’expert. Il faut retirer ces perturbations pour déduire précisément la gravité : c’est un accéléromètre qui permet cela. Et pour le moment, la mission GRACE est limitée par la performance de ces instruments.»
Il faudra cependant faire preuve de patience : le projet prévoit l’envoi en orbite du démonstrateur à l’horizon 2030. L’implémentation d’un capteur quantique dans une mission scientifique n’est donc pas pour tout de suite.
