La construction de l'Extremely Large Telescope (ELT), piloté par l'Observatoire européen austral (ESO) sur le site du Cerro Armazones dans le désert d'Atacama au Chili, représente l'un des projets d'infrastructure scientifique les plus ambitieux de ce siècle. Son miroir primaire segmenté, composé de 798 éléments hexagonaux pour un diamètre total de 39 mètres, imposera des contraintes dimensionnelles extrêmement strictes lors de l'assemblage de sa structure porteuse.

Cette architecture optique, qui vise à multiplier par plusieurs ordres de grandeur la résolution et la sensibilité des télescopes actuels, repose sur un principe simple en apparence, mais redoutable à réaliser : chaque segment de miroir doit être positionné avec une exactitude de l'ordre de quelques dizaines de micromètres par rapport à sa position théorique. À cette échelle, les déformations thermiques, les tolérances de fabrication mécanique et les erreurs cumulées d'assemblage deviennent des facteurs critiques qui peuvent compromettre la qualité du front d'onde optique final.

Les enjeux métrologiques de l'assemblage

L'un des postes les plus sensibles du chantier concerne l'installation des supports mécaniques destinés à recevoir chacun des segments du miroir. Ces structures doivent être positionnées selon des spécifications géométriques rigoureuses (alignement des axes de rotation, verticalité, et positionnement relatif des cylindres de fixation) avec une tolérance globale fixée à 30 micromètres. À titre de comparaison, cette exigence est environ deux fois inférieure à l'épaisseur d'un cheveu humain, appliquée sur une structure de plusieurs dizaines de mètres.

C'est dans ce contexte que la métrologie industrielle joue un rôle déterminant. Contrairement aux méthodes de contrôle traditionnelles par théodolite ou par relevé mécanique, les systèmes de suivi optique de nouvelle génération permettent d'effectuer des mesures tridimensionnelles à distance, sans contact physique avec la structure mesurée, et avec une répétabilité métrologique compatible avec les exigences du projet.

Le rôle de Setis dans la validation indépendante

Pour répondre à ce défi, l'ESO a mandaté Setis, expert en métrologie industrielle depuis plus de 30 ans et partenaire de longue date d'Hexagon, afin d'agir en tant que tiers de vérification indépendant sur le chantier de l'ELT. Sa mission consiste à réaliser des contre-mesures systématiques, dans un premier temps à distance en s'appuyant sur les relevés effectués sur place par les équipes de Cimolai, afin de confirmer, à chaque étape critique du montage, que les tolérances dimensionnelles spécifiées par l'ESO sont respectées.

Cette démarche de double vérification, indépendante des équipes de montage, constitue une pratique standard dans les projets d'ingénierie de haute précision, où l'accumulation d'erreurs non détectées à un stade précoce peut avoir des répercussions difficiles à corriger a posteriori sur une structure de cette taille.

Gaël Archambeau, responsable du pôle Métrologie chez Setis, précise que l'instrumentation employée doit répondre à plusieurs contraintes simultanées : une portée de mesure étendue pour couvrir l'ensemble de la structure, une vitesse d'acquisition élevée pour limiter la durée d'immobilisation du chantier, et une précision constante sur l'ensemble du volume de mesure.

Sécurité des opérations et mesure à distance

Au-delà de l'aspect purement métrologique, le recours à des instruments de mesure sans contact présente un avantage opérationnel significatif en matière de sécurité. La structure porteuse des segments du miroir s'élève à plusieurs dizaines de mètres de hauteur, et les méthodes de contrôle traditionnelles nécessiteraient souvent l'intervention de cordistes ou la mise en place d'échafaudages temporaires pour accéder aux points de mesure.

L'utilisation d'un système de mesure optique opérant à distance permet de s'affranchir de cette contrainte : les opérateurs peuvent valider la position des cylindres de fixation et des axes de rotation depuis le sol, réduisant ainsi l'exposition aux risques de chute et limitant le temps d'intervention en hauteur, un facteur non négligeable sur un chantier situé à plus de 3 000 mètres d'altitude, dans des conditions climatiques parfois difficiles.

Une contribution à la fiabilité globale du projet

Le contrôle métrologique rigoureux mis en œuvre sur le chantier de l'ELT illustre un enjeu plus large propre aux grands instruments scientifiques : la performance finale d'un télescope de cette envergure dépend autant de la qualité de sa conception optique que de la précision effective de son intégration mécanique. Une erreur d'assemblage non détectée, même infime à l'échelle individuelle, peut se propager et s'amplifier lorsqu'elle est répétée sur les centaines de segments composant le miroir primaire.

À ce titre, l'intervention de spécialistes en métrologie industrielle comme Setis, associée à des instruments de mesure conçus pour répondre aux exigences de très haute précision, constitue un maillon essentiel de la chaîne de fiabilité qui permettra à l'ELT d'atteindre, une fois achevé, les performances optiques exceptionnelles pour lesquelles il a été conçu, notamment l'observation directe d'exoplanètes et l'étude fine des premières galaxies de l'Univers.

État d'avancement de la construction de la structure du télescope, le cœur de l'ELT. © Setis

La parole à Gaël Archambeau et au porte-parole d'Hexagon. Dans cette interview, Gaël Archambeau, responsable du Pôle Métrologie chez SETIS (entreprise grenobloise experte en métrologie industrielle), et le porte-parole d'Hexagon reviennent sur les choix technologiques ayant conduit à la sélection du laser de poursuite ATS800 pour l'assemblage de l'ELT. Ils détaillent les défis rencontrés sur le chantier - contraintes thermiques, exigences de précision dimensionnelle, gestion des tolérances critiques - ainsi que le rôle des données métrologiques dans la validation des simulations et le pilotage des opérations d'assemblage. L'entretien aborde également les enseignements tirés d'autres grands projets scientifiques, comme Iter, et les perspectives d'évolution de ces technologies de mesure pour les futurs chantiers d'envergure.

Futura : Quelles autres technologies de mesure ont été envisagées avant de choisir le laser tracker ATS800 ?

Gaël Archambeau : Avant d'opter pour l'ATS800, notre équipe a considéré plusieurs technologies, notamment les stations totales et les lasers de poursuite, comme l'AT402, qui sont déjà utilisés par Cimolai pour l'assemblage de la structure. Setis avait également envisagé d'utiliser le laser de poursuite AT500, qui nécessite des réflecteurs, impliquant ainsi des mesures sans contact. Étant donné les dimensions impressionnantes des éléments à mesurer et la précision requise, nous avons toujours envisagé de travailler avec un laser de poursuite.

Futura : Comment l'ATS800 se compare-t-il à d'autres dispositifs similaires en précision et efficacité ?

Gaël Archambeau : En matière de précision, l'ATS800 offre des performances semblables à celles d'autres lasers de poursuite, tels que l'AT500 et l'AT930. Par exemple, l'ATS800 a une incertitude de mesure de 0,021 mm + 0,0085 mm/m, tandis que l'AT930 présente des valeurs de 0,015 mm + 0,006 mm/m. Cependant, en matière d'efficacité dans les prestations demandées, l'ATS800 se distingue par sa capacité à effectuer des mesures sans contact, ce qui le rend particulièrement adapté à notre projet.

Futura : Quels sont les autres défis rencontrés lors de l'assemblage des segments du télescope, en dehors des exigences de précision ?

Gaël Archambeau : L'un des grands défis est le volume de mesure : il est essentiel de trouver des positions d'instrument stables pour mesurer toutes les zones d'intérêt. De plus, le bâtiment n'étant pas climatisé, les variations de température peuvent influencer la géométrie des éléments, entraînant des effets de dilatation thermique. Cette variabilité impose une gestion délicate de la température et de ses conséquences sur les mesures.

Futura : Comment les données recueillies par l'ATS800 sont-elles intégrées dans le processus décisionnel pendant l'assemblage ?

Gaël Archambeau : Les données collectées jouent un rôle crucial. Elles servent à valider les simulations réalisées par le bureau d'études, telles que les simulations de déformation par éléments finis. Certaines données alimentent un rapport de contrôle dimensionnel, comparant les mesures réalisées aux spécifications théoriques fournies par notre bureau d'études, afin d'assurer la conformité avant de progresser dans le processus d'assemblage. D'autres données sont utilisées en temps réel pour guider les opérations d'assemblage.

Futura : Comment la mise en œuvre de l'ATS800 affecte-t-elle le calendrier global de construction de l'ELT ?

Gaël Archambeau : Bien que je ne dispose pas d'une vision exhaustive du calendrier global, l'intégration de l'ATS800, dont un des atouts est sa rapidité de mesure, devrait contribuer à optimiser le temps nécessaire pour certaines opérations d'assemblage et de contrôle, ce qui pourrait entraîner une réduction de la durée globale des travaux.

Futura : Quels sont les objectifs à long terme de l'ESO concernant la maintenance et l'exploitation du télescope après son assemblage ?

Gaël Archambeau : L'ESO prévoit l'utilisation de lasers AT930 d'Hexagon en permanence sur la structure du télescope pour assurer un suivi régulier, ce qui permettra d'optimiser sa performance à long terme.

La structure du télescope sur laquelle seront installés les segments du miroir géant du télescope : l'ensemble de cette structure pèse actuellement environ 3 500 tonnes et passera à 4 600 tonnes une fois que les miroirs et les instruments scientifiques seront installés. La structure repose sur une couche d'huile d'une épaisseur de seulement 80 microns qui permet au télescope de tourner en douceur. © Setis

Futura : Quelles autres innovations technologiques sont attendues dans le domaine de la métrologie industrielle pour des projets similaires ?

Porte-parole d'Hexagon : Outre les améliorations en matière de précision, les innovations récentes dans la métrologie se concentrent sur la simplification de l'utilisation des différentes technologies. Avec l'ATS800, Hexagon a intégré une fonction d'intelligence artificielle appelée FeatureDetect, qui permet d'identifier automatiquement les éléments à mesurer. Cela vise à réduire les temps de préparation et à limiter la dépendance à l'expertise des opérateurs, un atout précieux pour des projets complexes comme l'ELT ou Iter.

Futura : Existe-t-il des développements futurs prévus pour l'ATS800 ou des technologies connexes qui pourraient encore améliorer la précision ?

Porte-parole d'Hexagon : L'ATS800 est une technologie récente, lancée au printemps 2025, qui constitue une avancée significative dans le domaine de la métrologie pour grands volumes. Hexagon s'engage à poursuivre son développement en tenant compte des retours d'expérience des utilisateurs et des besoins émergents de l'industrie. L'entreprise est également attentive aux attentes de ses clients, favorisant l'évolution de son écosystème avec des mises à jour logicielles et des capacités d'automatisation, toujours dans l'optique d'améliorer l'efficacité des processus de mesure tout en garantissant fiabilité et traçabilité.

Futura : Quelles sont les conséquences concrètes d'une déviation dans l'alignement des segments sur la performance globale du télescope ?

Gaël Archambeau : Si les éléments mesurés, comme les supports d'altitude, ne respectent pas les tolérances de cylindricité (avec des exigences spécifiques de diamètre de 29 000 mm ±1 mm, et cylindricité de 0,6/500 mm, ainsi que 0,03/500 mm), cela peut affecter les performances de pointage du télescope. De plus, un mauvais alignement peut compromettre le fonctionnement mécanique du mouvement vertical, car la structure repose sur un fin film d'huile nécessitant des surfaces de glissement conformes.

Futura : Peut-on donner des exemples de problèmes rencontrés dans d'autres projets similaires en raison de déviations lors de l'assemblage ?

Gaël Archambeau : Un exemple marquant est celui du projet Iter, qui a subi près de deux ans de retard à cause de non-conformités dans le chanfrein de soudure des secteurs du vide, rendant impossible le soudage des deux premiers secteurs. Cela a nécessité le retour des pièces en atelier pour un nouvel usinage afin de corriger les défauts.

Futura : Comment ces tolérances de 30 micromètres sont-elles déterminées ? Sont-elles basées sur des standards spécifiques dans l'industrie astronomique ?

Gaël Archambeau : Selon mes connaissances, cette tolérance a été établie pour garantir le bon fonctionnement mécanique des moteurs linéaires, qui reposent sur un fine couche d'huile, tout en respectant les spécifications de pointage du télescope.

Futura : Quelles méthodes sont mises en œuvre pour mesurer et garantir le respect de ces tolérances ?

Gaël Archambeau : D'un point de vue de contrôle dimensionnel, nous appliquons les meilleures pratiques du géomètre et du métrologue. Cela inclut des simulations préalables à l'intervention et une évaluation rigoureuse des incertitudes de mesure, afin d'assurer la « capabilité du processus d'inspection », garantissant ainsi que les incertitudes sont en adéquation avec les tolérances fixées.