Un bathyscaphe est un engin sous-marin d'exploration des abysses. Le Trieste fut le premier engin à atteindre Challenger Deep (point le plus profond des océans) dans la fosse des Mariannes le 23 janvier 1960.
En service de 1948 à 1982, les bathyscaphes sont les seuls engins capables d'atteindre les plus grandes profondeurs (−10 916 mètres, dans la fosse des Mariannes, le 23 janvier 1960). Jusqu'au début des années 2010, seuls des engins télécommandés (ROV), tel le Nereus, sont alors capables d'atteindre de tels endroits. Inventé par le professeur Auguste Piccard, et perfectionné par son fils Jacques Piccard, un bathyscaphe est constitué d'une lourde cabine sphérique en acier, pouvant accueillir deux ou trois passagers, suspendue à un flotteur rempli d'essence légère qui compense le poids de l'ensemble selon le principe d'Archimède. Le bathyscaphe descend par gravité et remonte en lâchant du lest.
En raison de leur taille et de leur poids, les bathyscaphes ne pouvaient être embarqués et devaient être remorqués par leur navire d'accompagnement. Ils ont été remplacés par des sous-marins plus petits et plus maniables (sphère en acier à haute limite élastique ou en alliage de titane et flotteur en composite).
Le mot bathyscaphe, inventé par Auguste Piccard en 1946, vient du grec bathus (profond) et de skaphos (barque). Antérieurement, Piccard avait utilisé le mot thalassosphère pour nommer son invention.
L'habitacle, réduit au minimum pour minimiser le poids tout en étant capable de résister aux très fortes pressions abyssales (1 000 bars à 10 000 m) est constitué d'une sphère en acier d'un diamètre intérieur d'environ deux mètres et d'une épaisseur de neuf à quinze centimètres suivant la profondeur opérationnelle maximale. Le flotteur, construit en acier et en aluminium, contient une essence plus légère que l'eau. Pour éviter son écrasement durant la plongée, le flotteur est ouvert dans sa partie basse pour équilibrer les pressions interne et externe. De ce fait, la structure est relativement légère. L'essence a été choisie parce qu'économique et liquide, alors que les gaz sont trop compressibles pour une plongée très profonde. Des silos en forme d'entonnoirs ouverts à leur extrémité inférieure contiennent de la grenaille de fonte servant de lest. En régime normal l'écoulement de grenaille est bloqué par le champ magnétique produit par des électro-aimants. Les volumes d'essence et de grenaille sont ajustés pour que le bathyscaphe en immersion ait un poids nul. En surface, des ballasts remplis d'air assurent sa flottaison.
L'ingénieur suisse Auguste Piccard soulignait l'analogie du fonctionnement du bathyscaphe dans l'eau et du dirigeable dans l'air : pour la sustentation des réservoirs emplis d'un fluide plus léger (hydrogène ou hélium dans le cas du dirigeable, essence dans le cas du bathyscaphe) ; pour les mouvements verticaux des vessies de compensation ou du lest ; pour la propulsion des moteurs à hélice (électriques pour le bathyscaphe) ; pour l'équipage et l'appareillage, des cabines suspendues en dessous.
Les sous-marins sont conçus pour se déplacer sur le plan horizontal et pour équilibrer en plongée leur poids avec la poussée d’Archimède : pour amorcer leur descente, les ballasts sont purgés de leur air et se remplissent d'eau de mer ; la poussée d'Archimède devient insuffisante pour maintenir la flottabilité. Pour remonter, on insuffle dans les ballasts de l'air comprimé qui se détend. Pour un bathyscaphe, au cours de la descente l'essence du flotteur se comprime grâce à la pression de l'eau de mer, ce qui diminue la flottabilité ; l'alourdissement résultant est compensé pour remonter par un largage équivalent de lest, commandé par la coupure du courant électrique alimentant les électro-aimants. Pour le déplacement horizontal, le bathyscaphe est pratiquement dépourvu de propulsion : il n'est doté que de petites hélices de manœuvre actionnées par des moteurs de faible puissance. Pour remonter, on largue à nouveau du lest. Ce dispositif de largage par coupure de courant agit dans le sens de la sécurité puisqu'en cas de défaillance électrique le bathyscaphe ne peut ainsi que s'alléger et remonter.
Fonctionnement du bathyscaphe :
Le bathyscaphe flotte et se prépare à la plongée.
Le bathyscaphe augmente son poids en remplaçant le volume des ballasts par de l'eau de mer. Il descend car la poussée d'Archimède est inférieure au poids.
Le bathyscaphe est posé sur le fond. La poussée d'Archimède est égale ou légèrement inférieure au poids.
Le bathyscaphe lâche du lest et remonte. La poussée d'Archimède est supérieure au poids.
Entre les deux guerres mondiales, la course aux grands fonds et aux fortes altitudes démarre. Sous l’eau, le 15 août 1934, l’américain Beebe atteint 908 mètres de profondeur dans une sphère d’un mètre quarante-cinq de diamètre pendue au bout d’un câble d’acier. Cette minuscule sphère, la Bathysphère, contenait deux passagers ; la vie de l’équipage ne tenait qu’au bon vouloir du câble à rester intact, ce qui était un pari des plus audacieux.
Dans les airs, le professeur suisse Auguste Piccard de l'université de Bruxelles atteint le 18 août 1932 l’altitude de 16 900 mètres à bord d’un ballon stratosphérique, le FNRS-1 (en). Ce ballon avait été nommé ainsi car sa construction avait été financée par le Fonds National de la Recherche Scientifique belge. Après ce record, le FNRS-1 fut exposé en 1935 à l’exposition universelle de Chicago, pendu au-dessus de la Bathysphère de Beebe. L’idée de construire un dirigeable sous-marin sur le modèle du FNRS 1 prit corps et, en 1937, le FNRS belge accorda à Auguste Piccard un crédit de 25 000 $ pour construire un tel engin, capable d’aller jusqu’à 4 000 mètres de profondeur. Cet engin prit naturellement le nom de FNRS 2.
Après une interruption due à la Seconde Guerre mondiale, Auguste Piccard reprend ses travaux sur un engin d'exploration abyssale. En 1948, il conçoit son premier bathyscaphe et le baptise FNRS-2 en reconnaissance envers le Fonds National de la Recherche Scientifique, organisme belge qui l'a toujours soutenu. Les fonds, suffisants pour un premier submersible, ne permettent pas la construction d'un bathyscaphe élaboré. Le FNRS-2 n'a pas de puits d'accès pour l'équipage depuis la surface et le flotteur, réduit à la fonction d'enveloppe à essence, n'a pas la structure adaptée pour un remorquage en haute mer.
La sphère, composée de deux hémisphères, a été coulée puis usinée aux Usines Émile Henricot (Belgique). Elle pèse 11 tonnes et résiste à une immersion de 4 000 mètres. Son diamètre intérieur est de 2 mètres. Son épaisseur est de 9 centimètres portée à 15 centimètres près des deux hublots. Ces derniers sont tronconiques et fabriqués en polyméthacrylate de méthyle. Le flotteur est constitué de sept réservoirs totalisant 30 m3 d'essence, protégés par une carène en tôle de fer d'un millimètre d'épaisseur. Le bathyscaphe est assemblé à Anvers (Belgique) par la « Mercantile Marine Engineering Cie ».
Sans avoir été testé, le FNRS-2 embarque pour Dakar (Sénégal) où la Marine nationale française prête son concours, puis il est dirigé vers les îles du Cap-Vert au large desquelles vont être réalisés les essais. Une première plongée à 25 mètres va rapidement montrer les limites des choix qui ont été faits. Les premiers passagers (Auguste Piccard et l'académicien Théodore Monod) sont enfermés dans la sphère alors que le bathyscaphe est encore à bord du Scaldis, son bâtiment support. Le FNRS-2 est mis à flot puis commence la longue et délicate manœuvre du remplissage des réservoirs à essence. Après une plongée effective d'un quart d'heure, il faut exécuter les manœuvres inverses. Les passagers ne sont libérés qu'au bout de douze heures. Le second essai, réalisé quelques jours plus tard sans passager, envoie le submersible à 1 380 mètres de profondeur en automatique, sans présence humaine à bord. Au retour, la mer qui a changé ne permet pas les manœuvres d'embarquement. C'est avec un flotteur définitivement endommagé que le bathyscaphe fut remorqué jusqu'à la côte puis remonté à bord et termina cette campagne d'essais.