Apollo Lunar Surface Experiments Package

L’Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP) est un ensemble d'instruments scientifiques installé par les astronautes des six missions du programme Apollo à la surface de la Lune entre 1969 et 1972. La mission Apollo 11 installe une version simplifiée de l'ALSEP : l’Early Apollo Scientific Experiments Package (EASEP).

Station ALSEP de la mission Apollo 16.

Ces instruments permettent d'étudier, jusqu'à leur arrêt en 1977, plusieurs caractéristiques de l'atmosphère, du sol et du sous-sol lunaires : sismicité, vent solaire, température, composition de l'atmosphère, champ magnétique, etc.

L'ALSEP est constitué d'un poste central chargé de transmettre les données scientifiques recueillies vers la Terre au Goddard Space Flight Center, de recevoir les instructions et de redistribuer l'énergie électrique fournie par un générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG) à un ensemble de quatre à six instruments scientifiques dont la composition varie selon les missions.

Contexte

Les instruments et les expériences comprises dans l'ALSEP sont sélectionnés en février 1966. Les organisations responsables de leur développement et les investigateurs principaux et secondaires sont :

• expérience sismique passive : Massachusetts Institute of Technology, Frank Press ; université Columbia, George Sutton ;
• magnétomètre : NASA Ames Research Center, C. P. Sonett, centre de vol spatial Marshall, Jerry Modisette ;
• vent solaire de moyenne énergie : Jet Propulsion Laboratory, C. W. Snyder et M. M. Neugebauer ;
• détecteur d'ions suprathermiques : université Rice, J. W. Freeman, Jr., centre de vol spatial Marshall, Curt Michel ;
• mesure du flux thermique lunaire : université Columbia, M. Langseth ; université Yale, S. Clark ;
• vent solaire à faible énergie : université Rice, B. J. O'Brien ;
• expérience sismique active : université Stanford, R. L. Kovach ; United States Geological Survey, J. S. Watkins.

L'ALSEP est construit et testé par la société Bendix de Ann Arbor. Les instruments peuvent fonctionner de manière autonome après le départ des astronautes et effectuer des mesures dans l'environnement lunaire sur de longues périodes. Les instruments sont disposés autour du poste central, qui fournit l'énergie électrique grâce à un générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG) et transmet les données recueillies à la station de contrôle sur Terre. Le contrôle thermique est réalisé à l'aide de mesures passives (isolants, réflecteurs, protections thermiques) ainsi qu'à l'aide de résistances et de radiateurs.

Instruments scientifiques ALSEP par mission

Instruments installés par les différentes missions^[1]

Instrument	Apollo 11	Apollo 12	Apollo 14	Apollo 15	Apollo 16	Apollo 17
Localisation	Mare Tranquillitatis 23,4°E 0,7°N	Oceanus Procellarum 23,5°O 3,0°S	Fra Mauro 17,5°O 3,7°S	Hadley Rille 3,7°E 26,1°N	Descartes 15,5°E 9,0°S	Taurus Littrov 30,8°E 20,2°N
Sismomètre passif (PSE et PSEP)	x	x	x	x	x
Sismomètre actif (ASE)			x		x
Magnétomètre surface lunaire (LSM)		x		x	x
Spectromètre vent solaire (SWS)		x		x
Détecteur ions suprathermiques (SIDE)		x	x	x
Mesure des flux thermiques (HFE)				x	x	x
Mesure des particules chargées (CPLEE)			x
Jauge cathodique froide (CCGE et CCIG)		x	x	x
Détecteur micrométéorites et éjectats (LEAM)						x
Profil sismique de la Lune (LSPE)						x
Spectromètre de masse (LACE)						x
Gravimètre (LSG)						x
Détecteur de poussière	x	x	x	x
Réflecteur laser (LRRR)	x		x	x

Résultats scientifiques

Le rapport scientifique final établi par la NASA en 1979 recense un grand nombre de résultats permettant des progrès significatifs dans la connaissance de la Lune.

Les sismomètres passifs ont mis en évidence trois types de secousses sismiques^[2] :

• des secousses profondes se produisant avec une très grande régularité (une fois tous les 27 à 28 jours) situées à une profondeur comprise entre 800 et 1 000 km et conséquence d'un phénomène de marée (attraction de la Terre sur la Lune) ;
• des secousses à faible profondeur (moins de 100 km) irrégulières et peu fréquentes (cinq par an) mais libérant beaucoup d'énergie ;
• les secousses découlant de l'arrivée de météorites sur le sol lunaire.

Les données fournies par les sismomètres ont permis aux scientifiques de l'époque d'esquisser une modélisation de la structure interne de la Lune (épaisseur de la croûte, taille du noyau…).

Le magnétomètre a mis en évidence des champs magnétiques locaux faibles compris, selon le lieu, entre 3 × 10⁻⁹ et 327 × 10⁻⁹ teslas^[3].

Les capteurs de températures ont permis de déterminer que la température moyenne du sol oscillait selon les sites entre 207 kelvins (−67 °C) et 216 K et que les températures moyennes maximum du proche sous-sol (entre un et deux mètres de profondeur) était de l'ordre de 250 K^[4]. Des estimations de conductivité thermique de la couche superficielle et du sous-sol ainsi qu'une estimation du gradient de température du sous-sol ont été réalisés à partir des données collectées.

Les composants communs

Toutes les stations ALSEP ont des composants communs.

Désignation	Schéma	Photo	Description
Poste central ALSEP	Schéma du poste central.	Photographie du poste central (Central Station) de l'ALSEP d'Apollo 16.	C'est principalement un boîtier qui contrôle l'ensemble des instruments de l'ALSEP. Il reçoit des instructions de la Terre qu'il renvoie vers chacun des instruments, il transmet les données scientifiques recueillies et fournit l'énergie électrique à chaque instrument. Les échanges radio passent par une antenne de 58 cm de long pour 3,8 cm de diamètre montée au sommet du poste central. L'ensemble a la forme d'une boîte d'un volume de 34,8 dm3 pesant 25 kg. Pour les missions Apollo 12 et 15, un détecteur de poussière est monté au sommet du poste pour mesurer l'accumulation de poussière lunaire.
Générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG)	Schéma du générateur thermoélectrique à radioisotope.	Photographie du générateur thermoélectrique à radioisotope d'Apollo 14 avec le poste central en arrière-plan.	Le RTG est la source d'énergie de l'ALSEP. Il utilise la chaleur fournie par la radioactivité d'une capsule de plutonium 238 et des thermocouples qui permettent de générer environ 70 watts. L'ensemble tient dans un cube de 45 cm de côté et pèse environ 20 kg.
Conteneur à plutonium		Photographie montrant Edgar Mitchell répétant l'opération d'extraction du combustible nucléaire du conteneur à plutonium.	Un conteneur contient le plutonium 238 utilisé comme combustible par le RTG. Il est logé dans le compartiment SEQ. Le conteneur est conçu pour résister à une explosion de la fusée dans le cas d'un lancement interrompu ou à une rentrée dans l'atmosphère terrestre (ce qui se produisit pour Apollo 13).

Liste des instruments scientifiques

Désignation	Schéma	Description
Sismomètre actif (ASE)	Schéma du sismomètre actif.	ASE (Active Seismic Experiment) est un sismomètre actif utilisé pour déterminer la composition du sous-sol lunaire sur plusieurs centaines de mètres de profondeur. L'instrument est composé de 3 sous-ensembles : 3 géophones placés en ligne par les astronautes pour détecter les explosions de charges explosives, un mortier avec 4 charges explosives destinées à être lancées à des distances variables de l'ALSEP et un marteau sismique utilisant de petites charges explosives mis en œuvre par les astronautes et décrit sur le schéma ci-contre.
Charged Particle Lunar Environment Experiment (CPLEE)		Le CPLEE mesure les flux de particules chargées tels que les ions et les électrons.
Jauge cathodique froide (CCGE)	Schéma de la jauge cathodique froide (CCGE).	Le CCGE (Cold Cathode Gauge Experiment) est une version autonome du CCIG.
Jauge cathodique ionique froide (CCIG)		Le CCIG (Cold Cathode Ion Gauge) est un instrument qui mesure la pression atmosphérique de l'atmosphère lunaire. Il devait initialement faire partie du SIDE, mais le champ magnétique généré par l'instrument aurait créé des interférences.
Mesure des flux thermiques (HFE)	Schéma de l'expérience de la mesure des flux thermiques.	Le HFE (Heat Flow Experiment) mesure les variations thermiques du sous-sol pour déterminer à quel rythme la chaleur interne de la Lune s'évacue vers l'extérieur. Ces mesures doivent permettre d'estimer la radioactivité interne et permettre de comprendre l'évolution thermique de la Lune. L'instrument comporte un boîtier électronique et deux sondes. Chaque sonde est placée dans un trou de 2,5 mètres de profondeur foré par les astronautes.
Réflecteur laser (LRRR)	Schéma du réflecteur laser installé par l'équipage d'Apollo 11. Schéma du réflecteur laser installé par l'équipage d'Apollo 15.	Les réflecteurs lasers LRRR (Laser Ranging Retroreflector) permettent de mesurer avec précision la distance Terre-Lune en réfléchissant la lumière de lasers situés sur Terre. Ces mesures sont utilisées pour estimer l'éloignement progressif de la Lune, conséquence de la dissipation des marées et du mouvement irrégulier de la Terre. Cet instrument passif est le seul encore utilisé aujourd'hui.
Expérience d'analyse de la composition de l'atmosphère lunaire (LACE)		Le LACE a comme objectif de déterminer la composition de l'atmosphère lunaire.
Détecteur de micrométéorites et d'éjectats (LEAM)	Schéma du détecteur de micrométéorites et d'éjectats.	Le LEAM (Lunar Ejecta and Meteorites) est conçu pour détecter les micrométéorites et les matériaux lunaires éjectés par l'impact de ceux-ci[5].
Expérience de mesure du profil sismique (LSPE)	Schéma de la charge explosive utilisée lors de l'expérience de mesure du profil sismique.	Le LSPE (Lunar Seismic Profiling Experiment) est semblable à l'ASE, mais il doit permettre d'effectuer des mesures sur plusieurs km de profondeur. Il comprend trois sous-ensembles : 4 géophones déployés près de l'ALSEP par les astronautes, une antenne chargée de transmettre un signal aux charges explosives, 8 charges explosives d'une masse comprise entre 50 g et 4 kg. Les charges étaient installées par les astronautes durant leurs excursions en rover lunaire.
Gravimètre de la surface lunaire (LSG)	Schéma du gravimètre de la surface lunaire.	Le LSG (Lunar Surface Gravimeter) effectue des mesures très précises de la gravité lunaire et de son évolution dans le temps. Les scientifiques espéraient que les données recueillies puissent être utilisées pour confirmer l'existence des ondes gravitationnelles.
Magnétomètre de la surface lunaire (LSM)	Schéma du magnétomètre de la surface lunaire.	Le LSM (Lunar Surface Magnetometer) mesure le champ magnétique lunaire. Les données sont utilisées pour déterminer les propriétés électriques du sous-sol. Ces données servent également à étudier les interactions entre le plasma solaire et la surface lunaire.
Sismomètre passif (PSE)	Schéma du sismomètre passif.	Le PSE (Passive Seismic Experiment) détecte les secousses sismiques de la Lune qu'elles soient naturelles ou provoquées artificiellement afin d'étudier la structure du sous-sol.
Ensemble sismomètre passif (PSEP)	Schéma de l'ensemble sismomètre passif	Le PSEP (Passive Seismic Experiment Package) est similaire au PSE sauf qu'il est entièrement autonome. À cet effet, il dispose d'un panneau solaire et d'un système de télécommunications. Il comporte en plus un détecteur de poussière lunaire.
Spectromètre de vent solaire (SWS)	Schéma du spectromètre de vent solaire.	Le SWS (Solar Wind Spectrometer) étudie les propriétés du vent solaire et son incidence sur l'environnement lunaire.
Détecteur d'ions suprathermiques (SIDE)		L'expérience SIDE (Superheated Ion Detector Experiment) est conçue pour mesurer les différentes caractéristiques des ions positifs dans l'environnement lunaire, fournir des données sur les interactions entre le plasma et le vent solaire et mesurer le potentiel électrique de la surface de la Lune.

Liste des missions

Chaque mission comportait des expériences scientifiques différentes.

Apollo 11 (EASEP)

Pour Apollo 11, Buzz Aldrin porte l'EASEP jusqu'au site d'installation en utilisant des poignées, qui seront remplacées par une barre de portage pour les missions suivantes.

La mission Apollo 11 n'installa pas un ALSEP complet mais une version simplifiée dite EASEP. Dans la mesure où la sortie extravéhiculaire ne devait durer que 2 h 40, l'équipage n'avait pas assez de temps pour installer un ALSEP complet dont le déploiement demande de une à deux heures.

Désignation	Photo
LRRR	Le couvercle à poussière noir n'a pas encore été enlevé.
PSEP	L'expérience s'arrêtera de fonctionner après 21 jours.

Apollo 12

Schéma d'installation de l'ALSEP d'Apollo 12.

Désignation	Photo	Remarques
LSM		Stocké dans le premier paquet.
PSE		Stocké dans le premier paquet.
SWS		Stocké dans le premier paquet.
SIDE/CCIG		Stocké dans le second paquet. Le CCIG est visible à gauche du SIDE. Le CCIG s'arrêta de fonctionner après seulement 4 heures.

Apollo 13

Schéma prévu d'installation de l'ALSEP d'Apollo 13.

À cause de l'interruption de la mission aucune des expériences ne fut installée.

La boîte contenant le plutonium devant servir de source d'énergie est tombée dans l'océan Pacifique lors du retour de la mission^[6].

Désignation	Remarques
CPLEE	Stocké dans le premier paquet.
CCGE	Stocké dans le premier paquet.
HFE	Stocké dans le premier paquet.
PSE	Stocké dans le premier paquet.

Apollo 14

Schéma d'installation de l'ALSEP d'Apollo 14.

Désignation	Photo	Remarques
ASE		L'image du dessus montre le boîtier du mortier. L'image du dessous montre le pilote du module lunaire Edgar Mitchell en train de faire fonctionner le marteau sismique. Le boîtier du mortier, les géophones et le marteau sismique étaient stockés dans le premier paquet. Treize des 22 charges du marteau sismique purent être mises à feu. Aucune des quatre charges du mortier ne purent être tirées à cause d'un problème d'installation. Le centre de contrôle tenta d'effectuer leur mise à feu juste avant l'arrêt des ALSEP mais le système refusa de fonctionner sans doute à cause du temps écoulé depuis son installation.
CPLEE		Stocké dans le premier paquet.
LRRR		Stocké dans le compartiment 1 du LEM et transporté séparément jusqu'au site de l'ALSEP.
PSE		Stocké dans le premier paquet.
SIDE/CCIG		Stocké dans la sous-palette. Le SIDE est dans le coin supérieur gauche tandis que le CCIG est au centre de la photo.

Apollo 15

Schéma d'installation de l'ALSEP d'Apollo 15.

Désignation	Photo	Remarques
HFE		Le boîtier électronique est situé au centre de la photo. Deux câbles le relient à chaque capteur. Stocké dans le deuxième paquet. Les forages effectués pour installer les capteurs rencontrèrent plus de résistance que prévu. Ceux-ci ne purent pas être enfoncés à la profondeur demandée. Les données recueillies ne purent pas être exploitées jusqu'à ce qu'elles puissent être comparées aux données recueillies par l'expérience similaire d'Apollo 17.
LRRR		Stocké dans le compartiment III du LEM et transporté jusqu'à son lieu d'installation à l'aide du rover lunaire.
LSM		Stocké dans le premier paquet.
PSE		Stocké dans le premier paquet.
SWS		Stocké dans le premier paquet.
SIDE/CCIG		Le SIDE est à gauche tandis que le CCIG est sur sa droite. Stocké avec la sous-palette. On remarque l'inclinaison du SIDE. Celle-ci est volontaire du fait de la latitude du site d'atterrissage d'Apollo 15. On remarque également la tige reliant le SIDE et le CCIG. Cette nouvelle configuration résulte d'une demande des astronautes des missions précédentes qui eurent du mal à installer SIDE/CCIG qui étaient à l'époque reliés uniquement par le câblage.

L'antenne articulée était stockée dans la sous-palette. Les instruments de l'ALSEP, la perche de transport et les outils étaient stockés dans le deuxième paquet.

Apollo 16

Schéma d'installation de l'ALSEP d'Apollo 16.

Désignation	Photo	Remarques
ASE		La photo montre le boîtier contenant le mortier. On remarque la nouvelle embase utilisée qui doit permettre d'éviter les problèmes rencontrés avec Apollo 14. Le mortier, les géophones et le système contenant les petites charges sont stockés dans le premier paquet. L'embase du boîtier contenant le mortier est stocké dans le second paquet. Après le lancement des trois premières charges, le capteur d'inclinaison se dérégla et il fut décidé de ne pas tirer la quatrième charge. Dix-neuf charges du marteau sismique purent être tirées.
HFE		La photo montre une des sondes de l'instrument de mesure des flux thermiques. Stocké dans le deuxième paquet. Après avoir mis en place une des sondes, le commandant John Young se prit les pieds dans le câble qui reliait l'instrument au poste central. Le câble fut arraché de sa connexion et aucune réparation ne put être effectuée.
LSM		Stocké dans le premier paquet.
PSE		Stocké dans le premier paquet.

Apollo 17

Schéma d'installation de l'ALSEP d'Apollo 17.

Désignation	Photo	Remarques
HFE		On distingue une des sondes au premier plan ; le boîtier et l'autre sonde sont visibles en arrière plan.
LACE
LEAM		Le LEAM est au premier plan. La validité scientifique des données recueillies par cette expérience fut mise en doute à cause de certaines données manifestement fausses.
LSPE		L'image du dessus montre l'antenne du LSPE au premier plan. L'image inférieure montre l'une des charges explosives.
LSG		À cause d'une erreur de conception, cette expérience n'a pu réaliser les mesures prévues.

Déroulement de l'installation de l'ALSEP

L'ALSEP est rangé dans le compartiment réservé aux instruments scientifiques (SEQ) de l'étage de descente du module lunaire Apollo. Les photos suivantes illustrent le déploiement de l'ALSEP d'Apollo 12.

• 
  Pete Conrad ouvre les portes du compartiment SEQ à l'aide de plusieurs sangles passant par des poulies.
• 
  Alan Bean extrait le deuxième paquet du compartiment SEQ. Cela est effectué en partie en utilisant un palan et un système de poulies visible sur la photo. Pour Apollo 17, le système est jugé trop complexe et supprimé. Pour Apollo 11, Buzz Aldrin décide pour économiser du temps de ne pas utiliser le système.
• 
  Le premier paquet extrait par Conrad du compartiment.
• 
  Bean descend le conteneur du combustible pour pouvoir l'insérer dans le RTG.
• 
  Bean commence à retirer le couvercle du conteneur. Il utilise un outil dédié (DRT). Il a déjà préparé le RTG pour l'insertion du combustible et déployé le HTC. Conrad retire la palette inférieure du paquet contenant le RTG.
• 
  Bean jette le couvercle avec l'outil DRT. Aucun des deux n'aura d'utilité par la suite.
• 
  Bean tente d'extraire le combustible de son container avec un outil dédié (le FTT). On peut voir un des outils universels (UHT) qui est toujours attaché au sous-ensemble RTG. Pour la mission Apollo 12, la capsule de plutonium est coincée dans son logement à cause de la dilatation thermique (Bean peut sentir la chaleur malgré ses gants). Conrad frappe sur le container avec un marteau, ce qui permet à Bean d'extraire le combustible. Celui-ci est ensuite inséré dans le RTG.
• 
  Bean attache le RTG à la perche utilisée pour son transport afin de l'amener sur son site d'installation. La perche est réutilisée ensuite comme mât pour l'antenne du poste central.
• 
  L'ALSEP est transporté jusqu'à son site d'installation. Son ombre indique qu'il transporte un paquet avec un des deux outils UHT. (Photo prise par Conrad.)
• 
  Bean transporte l'ALSEP vers son site d'installation.
• 
  Conrad tient la perche de transport dans sa main gauche tandis qu'il met en place l'antenne avec l'outil UHT.
• 
  Jim Lovell s'entrainant pour la mission Apollo 13. Il installe une maquette du poste central. Le poste se déploie grâce à un système de ressorts.

Arrêt

Les instruments scientifiques étaient contrôlés depuis la Terre. Les stations fonctionnèrent à compter de leur installation jusqu'au 10 septembre 1977, date à laquelle elles furent arrêtées essentiellement pour des raisons budgétaires. Par ailleurs à cette date, la puissance électrique disponible ne permettait plus de faire fonctionner simultanément le système de transmission et les instruments : la puissance électrique produite était pratiquement divisée par trois pour les installations les plus anciennes du fait de l'affaiblissement de la source radioactive^[7].

La salle de contrôle de l'ALSEP fut réutilisée pour la réactivation de Skylab.

Conservation des données scientifiques

Les données transmises par les instruments sont conservées au National Space Science Data Center du Goddard Space Flight Center. En 2003, une grande partie des cassettes sur laquelle les données ont été archivées sont restaurées^[8].

Le démarrage du programme Constellation, qui devait relancer l'exploration lunaire, a renouvelé l'intérêt de la NASA pour les données recueillies par les stations ALSEP. On pense qu'une partie de celles-ci n'a pas été archivée à cause de l'interruption brutale du financement du programme scientifique en 1977. Une évaluation du volume d'informations manquantes susceptibles de présenter un intérêt ainsi que de la faisabilité de leur récupération a été lancée en 2008^[9].