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Des meutes de drones sous-marins pour chercher les amas sulfurés

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Coordonner un ensemble de drones sous-marins pour détecter et cartographier, par grands fonds, des ressources minières exploitables, à commencer par les amas sulfurés. C’est l’objectif de l’ambitieux projet MELODI (Magnetic Electromagnetic Ore DetectIon), porté par un consortium français dont Créocéan est le leader et regroupant ECA Group, RTSys et DCNS. D’un coût total de 4.5 millions d’euros, ce projet collaboratif est issu du regroupement de trois programmes de recherche indépendants et complémentaires : Messidor, sa partie prépondérante et porté par Créocéan, permettant la détection magnétique des amas sulfurés ; Doremi pour caractériser en 3D la nature et le volume des richesses marines (Mappem Géophysics); ainsi que Docking (DCNS), qui fournit des infrastructures d’accueil d’AUV (Autonomous Unmanned Vehicles).

Des enjeux économiques considérables

« On sait que d’immenses gisements des ressources minérales marines existent et que leurs concentrations en métaux rares et précieux sont au moins équivalentes à celles des gisements terrestres. Toutefois, les techniques d’exploration actuelles, complexes, chères et destructrices pour l’écosystème, sont incompatibles avec l’exploration pratiquée à une échelle industrielle… », soulignent d’emblée les partenaires du projet.  

« Les enjeux sont énormes car les amas sulfurés sont très riches en matériaux utilisés pour la fabrication de composants électroniques et pour le développement des nanotechnologies. Ils suscitent de grosses convoitises puisque l’approvisionnement terrestre est sous tension alors que des réserves considérables et non encore exploitées se trouvent au fond des océans », explique Michel Colinet, chef de projet chez Créocéan. Filiale du groupe Keran, ce bureau d’études français, basé à La Rochelle, est spécialisé dans les domaines de l’océanographie et du littoral. Il réalise notamment l’acquisition et l’analyse de données géophysiques et hydrodynamiques, produit des études d’impact, des analyses des états initiaux… Avec en toile de fond une stratégie de développement durable.

Détecter des amas sulfurés sans impact écologique

C’est d’ailleurs là que réside l’un des grands intérêts de MELODI : concevoir un nouveau système de reconnaissance rapide et précis, sans impact écologique et à moindre coût. Un système qui évitera de démultiplier les forages d’exploration et leurs incidences sur l’écosystème.

Dans le même temps, le projet répond à une problématique cruciale, celle d’offrir un moyen fiable capable de détecter les amas sulfurés. « Il s’agit d’identifier des objets géologiques de petite taille (« petite taille correspond ici à des objets de 10 à 500 mètres, ndlr), dispersés au fond des océans, à des profondeurs d’eau allant de 800 à plus de 4000 mètres, avec la nécessité d’avoir une certaine densité sur un périmètre donné. Or, jusqu’ici, on ne savait pas trouver ces amas sulfurés, c’est pourquoi nous avons travaillé pour élaborer une méthodologie qui serait efficace à 100% ».

Ce fut l’objectif de la phase 1 du projet, portée par Creocean dans le cadre du projet Messidor, lauréat du Concours Mondial d’Innovation 2015 (*). L’objectif était de démontrer la possibilité de débusquer les amas sulfurés grâce à la détection magnétique.

 

Fumoir actif (© : NOAA) 

 

Des ressources qui se forment autour des dorsales

Pour bien comprendre, il faut se replonger dans ses cours de géologie et, en particulier, le phénomène de la tectonique. Les dorsales médio-océaniques constituent la limite entre deux plaques qui s’écartent. Les dorsales offrent la conjonction, d'une part, d'une remontée des roches mantelliques qui s'accompagne d'une anomalie thermique, et d'autre part d'une tectonique extensive permettant l'ouverture de fissures et de failles. Chaleur et extension favorisent la pénétration et la circulation convective d'eau de mer dans la croûte océanique. Ce fluide, en se réchauffant, altère les roches et minéraux et se charge en ions métalliques dissous. A son retour en surface, le fluide est brutalement refroidi et les métaux transportés précipitent, formant les amas de sulfures métalliques. Ces amas sulfurés (ou sites hydrothermaux) sont notamment constitués de métaux de base (cuivre, zinc, fer), mais aussi de métaux « critiques » comme les sulfures de fer (pyrite, marcasite, pyrrhotite), le manganèse, le cobalt ou le nickel. Les sites actifs, à l’axe des dorsales océaniques, se caractérisent par des fumeurs et sont associés au développement d’écosystèmes spécifiques. Les sites intéressants pour une éventuelle exploitation minière sont des sites inactifs, qui ne présentent plus ni émission de fluides, ni biologie exubérante, mais restent néanmoins assez jeunes (moins de 2 millions d'années) pour ne pas être ennoyés sous une épaisse couverture sédimentaire.

 

Fumoir inactif  (© : NOAA) 

 

Une signature magnétique spécifique

Or, explique Michel Colinet, « les travaux de recherche académique (notamment ceux de l’Institut de Physique du Globe de Paris) ont montré que ces amas sulfurés ont une signature magnétique spécifique, que l’on sait désormais mesurer et interpréter. Il devient donc possible de les détecter avec des outils adaptés ». Au-delà de la détection, les travaux réalisés dans le cadre du projet de recherche Doremi, mené par la société brestoise MAPPEM Geophysics sur des technologies électromagnétiques, permettront de caractériser ces objets géologiques et de vérifier s’ils sont riches en métaux.

Créocéan, qui dispose d’une expérience historique dans le secteur de l’extraction minière en mer, avec entre autres clients différents groupes miniers dont  Eramet, a ensuite planché sur les outils pertinents pour mener des explorations sous-marines à la recherche des amas sulfurés.

 

Les drones Comet (© : RTSYS) 

 

Vers l’emploi coordonné de groupes de drones

Compte tenu des énormes surfaces à couvrir, de l’éloignement très important des gisements potentiels par rapport aux infrastructures terrestres et de la nécessité d’obtenir des coûts raisonnables, l’option des robots sous-marins, dont les capacités se sont significativement accrues ces dernières années, s’est rapidement imposée. « Nous avons démontré la faisabilité d’utiliser de tels engins équipés de magnétomètres pour localiser les amas sulfurés et nous nous sommes alors rapproché de deux sociétés spécialisées pour concevoir une flotte de robots ».

C’est dans cette perspective qu’ECA Group, le grand champion français de la robotique sous-marine en milieu hostile, a rejoint le projet. Mais aussi RTSys, spécialiste de l’acoustique sous-marine et qui a prouvé au travers du projet COMET, achevé en juin dernier après des essais concluants en mer, qu’il était possible de faire travailler ensemble un groupe de drones sous-marins. « Les robots fonctionnent en meute. L’un d’eux dispose d’une centrale inertielle performante et recalcule sa position précise soit par communication acoustique avec un bateau en surface ou lors des retours ponctuels en surface. Il la communique ensuite aux autres qui se recalent en fonction des informations reçues. Cela permet à la meute d’avoir un positionnement extrêmement précis en se dispensant d’équiper chaque robot d’une centrale inertielle lourde et coûteuse », précise Vidal Teixeira, directeur général de RTSys.

 

 

Un AUV « maître » et des AUV « suiveurs »

MELODI utilisera des engins issus de la gamme d’AUV développés par RTSys, qui fournit notamment des drones cibles de la marine française et a décliné sur cette base des produits civils qui ont pris le nom de Comet en référence au programme de recherche sur les  évolutions en meute. Ces robots de petite taille (environ 2 mètres pour un poids d’une quarantaine de kilos), seront donc équipés d’un magnétomètre pour détecter les amas sulfurés.

Quant au robot « chef de meute », aussi appelé « AUV maître », chargé de mener la mission et guider la trajectoire des « robots suiveurs » développés par RTSys, il sera fourni par ECA Group. L’engin sera basé sur un modèle éprouvé, l’A-18D, long de 5 mètres pour une masse d’environ 600 kilos. « Équipé de capteurs de dernière génération et des dernières évolutions logicielles en termes de missions, ce robot possède les meilleures capacités opérationnelles pour les levés hydrographiques, la recherche océanographique, l’exploitation des ressources naturelles des fonds marins ou encore la recherche d’objets et le sauvetage », explique son concepteur. Doté d’une centrale inertielle, l’A-18D peut réaliser des plongées de plus de 24 heures jusqu’à 3000 mètres de profondeur. Il fournira donc les informations nécessaires aux robots « suiveurs », RTSys fournissant le module électronique permettant aux AUV de communiquer entre eux  par acoustique. « Dotés de capacités innovantes et d’intelligence embarquée, les AUV exploreront au-delà de 2000 mètres de profondeur, se rechargeront sans remonter à la surface, communiqueront entre eux et mèneront des missions collaboratives programmées », souligne le directeur études d’ECA Group.

100 km² cartographiés quotidiennement

L’emploi de nombreux robots permettra de cartographier rapidement des superficies très importantes, chaque engin devant, suivant un parcours prédéfini à l’avance, ratisser son propre secteur, permettant un quadrillage complet de la zone à explorer. Ainsi, on estime qu’une meute constituée d’une dizaine de robots suiveurs n’aura besoin que de 24 heures pour cartographier une surface de 100 km2 et recueillir des données permettant d’identifier les sites géologiques potentiellement riches en minerais.

 

 

L’analyse des données recueillies par les drones permettra de déterminer si l’exploitation est viable et rentable. Si tel est le cas, les industriels spécialisés dans l’extraction pourront alors procéder aux opérations de forage. On rappelle que ce ne sont pas les sites hydrothermaux actifs, véritables oasis de vie marine, qui sont visés, mais les sites inactifs, quasiment déserts et où une exploitation est donc envisageable.

Au-delà des défis techniques à relever, l’environnement dans lequel seront menées les campagnes d’exploration constitue aussi un véritable challenge : « Il faut bien comprendre que les zones d’intervention seront très éloignées. Les dorsales sont au milieu de l’océan, à des milliers de kilomètres du port le plus proche. C’est pourquoi il nous faut des équipements robustes et fiables, ainsi que des missions clairement établies », rappelle Michel Colinet.

 

Le concept de la meute de drones (© : MELODI) 

 

Un bateau-mère et des campagnes de 25 jours

Un bateau-mère, par exemple un navire de type supply doté d’un vaste pont et de moyens de manutention, sera chargé d’amener la flotte d’AUV sur la zone de prospection. Il assurera également la logistique, le support des drones et le recueil des données à leur retour de mission. Pour l’heure, le consortium envisage des campagnes de 25 jours sur place et l’emploi en alternance de deux meutes (une en mission, une en maintenance) suivant le besoin et le profil de la mission, sachant qu’il sera techniquement possible d’effectuer des rotations de 24 heures. Dans cette perspective, les AUV utiliseront une station de docking conçue par DCNS. Cette infrastructure installée sous l’eau et liée au bateau-mère évitera au maximum de remonter les robots à bord puisqu’ils viendront automatiquement dans la station pour livrer les données recueillies et recharger leurs batteries avant de pouvoir repartir en exploration.

Une mission type devrait se dérouler ainsi :

- Mise à l’eau de la meute, calibration des capteurs puis plongée vers le point de départ de prospection

- Au fond, déploiement de la meute puis démarrage du « ratissage » de la zone de prospection suivant un parcours prédéfini,

- Stockage des données de mesures magnétiques par chaque AUV en temps réel

- Communication acoustique longue distance entre l’AUV maitre et le navire de surface (selon le besoin et les étapes de la mission)

- Communication acoustique et géolocalisation relative entre l’AUV maitre et les AUV suiveurs

- Fin de mission, remontée de la meute, récupération des AUV sur le navire de surface et récupération des données (Usb, Wifi, réseau, …)

- Recharge batteries, maintenance préventive et tests avant nouvelle mission

 

Un démonstrateur opérationnel dans un an

Les contraintes technico-opérationnelles et les modalités exactes de mise en œuvre de la meute seront définies au cours de la phase 2 du projet MELODI, qui devrait être lancée cet automne. Cette étape cruciale consiste à lever les risques techniques et acter les choix technologiques envisagés pour répondre aux besoins des prochaines missions d’exploration minière grand fond. Concernant ECA, il s’agit par exemple de valider les principes d’intégration mécanique, électrique et logiciel des capteurs et de la géolocalisation acoustique entre AUV (Maitre ECA et suiveurs RTSys). De même, cette phase 2 permettra de développer et de valider les algorithmes de gestion de missions embarqués à bord de l’AUV maitre (gestion de meute).

D’ici 12 mois, c’est-à-dire à partir de septembre 2017, ces travaux seront achevés et un démonstrateur comprenant un AUV maître et plusieurs suiveurs sera prêt à être testé. Fonctionnement des capteurs, mise à l’eau et récupération, communication entre AUV maître et AUV suiveurs, mise en formation suivant un « plan de vol » préétabli, protocoles de sécurité en cas d’incident, outils cartographiques… Les essais doivent se dérouler au large des côtes landaises, plus précisément au niveau du Gouf de Cap Breton, une fosse qui descend à plus de 2000 mètres. 

Une campagne à Wallis et Futuna d’ici 2020

« Nous aurons à ce moment démontré que la meute fonctionne et nous pourrons alors passer à la phase 3 ». Celle-ci est prévue en 2019/2020 à Wallis et Futuna, archipel français situé entre la Nouvelle-Calédonie et Tahiti, où des amas sulfurés ont été découverts lors d’une campagne menée entre 2010 et 2013 par Eramet, Technip et l’Ifremer. « Nous repasserons sur ces zones avec les AUV pour vérifier définitivement que le système et la méthode sont efficaces. Ensuite, nous chercherons d’autres amas non découverts dans cette région. Dès lors, nous serons en mesure de proposer à la France et à d’autres pays de cartographier leurs territoires maritimes ».

 

 

Course mondiale vers les richesses des océans

Alors que la croissance mondiale se poursuit rapidement, avec une production de biens qui pourrait doubler d’ici 2035, l’exploitation de richesses minérales marines semble de plus en plus incontournable face à la raréfaction des ressources terrestres. C’est pourquoi de nombreux Etats regardent de près le potentiel que peuvent receler leurs zones économiques exclusives, ce qui n’est parfois pas sans provoquer des tensions territoriales. La France, qui dispose du second espace maritime mondial (11 millions de km²), a été pionnière dans ce domaine avec le permis de Wallis et Futuna. Mais les ambitions vont bien au-delà des espaces sous souveraineté nationale.

Des délais contraints pour mener les campagnes d’exploration

Plusieurs pays ont fait des demandes d’exploration auprès de l’Autorité Internationale des Fonds Marins (AIFM). Fin 2014, un permis a notamment été accordé à un consortium japonais sur une zone dans le Pacifique, alors que la France recevait l’autorisation de rechercher des sulfures polymétalliques sur la dorsale volcanique médio-atlantique, avec 100 blocs de 10 km de côté au beau milieu de l’océan, par des profondeurs moyennes de 3000 mètres. Alors que la Russie a également obtenu des permis sur la dorsale atlantique, la Chine, l’Inde, la Corée du sud et l’Allemagne ont obtenu le droit d’explorer des secteurs sur la dorsale de l’océan Indien. Toutefois, être autorisé à explorer les grands fonds ne signifie pas être en mesure de le faire. Or, les permis délivrés par l’AIFM, d’une durée de 15 ans, sont contraignants puisque si rien n’est entrepris dans un délai de 5 ans après la signature du contrat, l’autorité internationale réduit de moitié la surface allouée. Il y a donc urgence pour les pays ayant obtenu ces permis et, dans cette perspective, MELODI est une initiative des plus prometteuses, suivie de très près par plusieurs grands groupes intéressés par l’exploitation minière sous-marine.

 

 

D’autres ressources marines en vue pour les drones

D’autant que le consortium MELODI voit déjà au-delà des amas sulfurés. « Une fois que nous aurons démontré que le système fonctionne, nous pourrons travailler pour l’adapter à la recherche d’autres ressources minérales marines, comme les nodules polymétalliques ou les encroutements cobaltifères. Pour cela, nous devrons parvenir à caractériser leur signature et adapter sur les robots des capteurs spécifiques à chaque ressource ». Compte tenu des enjeux et de l’intérêt déjà porté à ce projet encore unique au monde, Michel Colinet en est certain : « Tout le monde est à l’affût de la bonne méthode et, à partir du moment où nous aurons prouvé l’efficacité du système, nous serons submergés de demandes ».

(*) Le CMI est un programme lancé par le gouvernement français pour favoriser le développement d’entreprises porteuses d’innovations majeures et de rupture.

 

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