Piégé dans la glace

MOSAiC – Observatoire multidisciplinaire à la dérive pour l’étude du climat arctique

En septembre 2019, le brise-glace de recherche allemand Polarstern a quitté Tromsø, en Norvège, pour passer un an à dériver dans l’océan Arctique, prisonnier des glaces. Rester bloqué dans la glace de mer est normalement la dernière chose que les navires souhaitent faire. Cependant, le brise-glace allemand sera piégé dans les glaces de l’Arctique pendant un an. Cela permettra aux chercheurs polaires d’étudier l’hiver polaire pendant que le Polarstern effectuera un voyage inconnu sur les courants marins.

L’objectif de l’expédition MOSAiC est d’observer de plus près l’Arctique, épicentre du réchauffement climatique, et d’acquérir des connaissances fondamentales pour mieux comprendre le changement climatique mondial. Plus de 70 instituts de recherche de 20 pays participent à l’expédition.
Sur les traces de l’expédition révolutionnaire de Fridtjof Nansen avec son voilier en bois Fram en 1893-1896, l’expédition MOSAiC amènera un brise-glace de recherche moderne à proximité du pôle Nord pendant une année entière, y compris 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 charges sur la structure en acier du navire. Les données mesurées doivent permettre de mieux comprendre les exigences en matière de résistance à la glace afin d’optimiser les futurs navires brise-glace.

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

Même pour le fiable Polarstern et son équipage très expérimenté, l’expédition MOSAiC représente un véritable défi. La présence de la glace de mer est le principal obstacle à de telles expéditions dans l’Arctique. La glace de mer est un matériau complexe qui induit de fortes pressions au contact des navires. Des chercheurs de l’Institut de conception et d’analyse des structures navales de l’Université technologique de Hambourg (TUHH) participent au programme MOSAiC afin de mieux comprendre les exigences en matière de résistance à la glace et d’optimiser la conception structurelle des futurs navires brise-glace.

Système de surveillance des contraintes

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

Les données de mesure in situ sont précieuses

L’expédition MOSAiC offre une occasion unique de recueillir des données in situ précieuses pour une compréhension complète de la charge induite par la glace sur la structure du navire. La clé du choix de la Q.series X est sa capacité à effectuer un enregistrement fiable des données à long terme et de manière autonome, sans qu’un PC ne soit connecté. Comme il n’existe pas de liaison de données active entre le Polarstern et la terre, les données sont sauvegardées sur une clé USB et transportées à terre à chaque changement d’équipage. La clé USB est connectée à un contrôleur de bord haute performance Q.station X qui écrit continuellement des fichiers de données sur la clé USB. Chaque fois que l’équipe remplace une clé USB pleine, 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 de mesure redondantes sont écrites en parallèle sur une deuxième clé USB.

Avec la Q.station X, différentes techniques de réduction des données peuvent être appliquées pour réduire les données de mesure tout en produisant les mêmes résultats analytiques. Le système de surveillance des contraintes échantillonne à une fréquence de 1000 Hz, mais les données sont écrites sur les lecteurs USB avec un taux d’échantillonnage de seulement 1 Hz afin de minimiser l’espace disque nécessaire. Outre la capture de la valeur de mesure réelle, la moyenne, l’écart-type et les valeurs min/max sont calculés et stockés sur le disque. Lorsque le système de surveillance détecte un changement soudain dans la charge induite par la glace agissant sur la structure, un enregistreur basé sur l’événement est déclenché pour enregistrer les données de déformation autour de cet événement à une fréquence d’échantillonnage plus élevée. Ces données à haute résolution sont ensuite stockées dans un fichier séparé pour une analyse rapide et efficace.

Un système d’alimentation sans interruption (UPS), installé à l’intérieur de l’armoire, assure la continuité des données en cas de perte temporaire de l’alimentation. En cas de panne de courant persistante, l’onduleur envoie un signal à la station Q.X lorsque sa batterie est faible. L’enregistrement des données est alors interrompu et toutes les opérations d’écriture sur les clés USB sont terminées sans qu’aucune corruption de données ne se produise. Lorsque le courant est rétabli, le système de surveillance démarre automatiquement et reprend les mesures là où il les avait laissées.

Le système de surveillance des contraintes est opérationnel depuis plusieurs mois. Avec le premier échange d’équipage, une première série de données sera transférée avec succès au TUHH à 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’elles sont piégées dans la glace.

Facteurs de réussite

Quels sont les éléments essentiels à la réussite de cette mission de surveillance de la tension pendant 12 mois ?

• Enregistrement fiable et autonome des données vers de multiples destinations
• Visualisation intelligente des événements pertinents
• Transfert de données simple et rapide
• Conception et production à partir d’une source unique, avec des délais de livraison plus courts

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