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Débris spatiaux, méga-constellations de satellites : urgence en orbite terrestre

— Actualités du 18 avril 2019 —

Des dizaines de milliers de débris spatiaux en orbite terrestre

L’Humanité est capable de mettre des satellites en orbite depuis plus de 60 ans. Ses activités spatiales ont été à l’origine de découvertes scientifiques inestimables et de grands moments d’Histoire. On a connu un rythme de lancement élevé dans les années 1960 et 1970, puis un ralentissement avec la fin de la Guerre Froide. Depuis maintenant quelques années, le nombre de lancements orbitaux est de nouveau en hausse. En 2018, plus de 100 fusées sont parties pour l’orbite terrestre ou au-delà. On n’avait pas vu ce niveau d’activité depuis presque trente ans. Cette bonne santé du secteur spatial plaît évidemment aux fans d’espace, mais cela ne doit pas masquer l’impact de l’activité spatiale sur l’environnement.

Plus de 60 ans de vols orbitaux ont laissé des dizaines de milliers de débris artificiels dans le proche voisinage de la Terre. Des satellites arrivés en fin de vie, des étages de fusées et des fragments de toutes sortes se baladent à toutes les altitudes et à des vitesses incroyables. A 28000 km/h, un simple boulon est une arme mortelle. Pour le moment, l’impact de ces débris a été minime, même s’il y a eu quelques accidents. En 1996, un satellite militaire français est devenu la première victime officielle d’une collision avec des débris spatiaux. C’est un morceau de troisième étage d’une fusée Ariane 1 lancée dix ans plus tôt qui est le responsable. Depuis, une demi-douzaine d’accidents similaires ont été reportés. Le plus grave d’entre eux a eu lieu en 2009. Un satellite de la constellation Iridium a été détruit lors d’une collision avec un satellite soviétique désaffecté. Les deux engins ont été pulvérisés et ont rejoint les nombreux autres micro-débris spatiaux.

L’origine des débris spatiaux est multiple

Les essais de missiles anti-satellites menées par les Etats-Unis, la Chine ou dernièrement l’Inde ont eux aussi généré de grandes quantités de micro-débris spatiaux. Pour le moment, l’orbite terrestre reste un espace immense et les débris spatiaux les plus imposants sont suivis par radar. Il arrive cependant de plus en plus fréquemment que des satellites doivent brûler leurs précieux carburant pour s’éloigner d’une trajectoire de collision. C’est par exemple ce qu’a dû faire l’été dernier le satellite CLIOSAT de l’ESA. C’est de plus en plus fréquent. Chaque jour, l’armée américaine émet une vingtaine d’avertissements concernant des risques de collision en orbite terrestre. Dans la plupart des cas, il ne s’agit que d’un appel à la vigilance mais si on regarde vers l’avenir, les perspectives ne sont pas bonnes.

Non seulement les lancements sont de plus en plus nombreux, mais chaque fusée emporte de plus en plus de satellites. C’est un des effets pervers de la révolution des Smallsats. Dans le monde entier, des start-up lèvent des fonds pour mettre en orbite des constellations de dizaines, de centaines voire même de milliers de ces petits satellites. OneWeb, SpaceX, Amazon et de nombreuses autres entreprises pourraient ainsi lancer plusieurs dizaines de milliers de satellites au cours de la prochaine décennie. Ces objets devront se faire une place dans un environnement déjà bien chargé.

L’urgence concerne les débris spatiaux en orbite basse

A l’heure actuelle, l’orbite basse est la plus encombrée. Environ 16000 objets artificiels sont actuellement en orbite basse, c’est-à-dire à moins de 2000 km d’altitude. L’orbite géostationnaire est aussi déjà bien encombrée avec près de 3000 objets humains. Entre ces deux altitudes, 1500 satellites et autres débris spatiaux se déplacent sur différentes trajectoires. Le principal problème est que les trajectoires de tous ces objets ne sont pas connues avec précision. L’orbite d’un débris spatial peut ainsi être différentes selon l’origine des données, russes ou américaines.

C’était déjà compliqué quand seuls les états avaient accès à l’espace, mais mettre un satellite en orbite est maintenant à la portée de nombreuses universités et startups, et certaines d’entre-elles sont peu regardants sur la réglementation. A la fin de l’année 2017, une entreprise a ainsi lancé quatre micro-satellites sans avoir reçu l’autorisation d’aucun gouvernement. Si tout le monde se met à faire la même chose, l’orbite terrestre risque de se transformer en véritable Far West.

La gestion des débris spatiaux et des constellations de satellites doit être mondiale

Une grosse partie du travail qui permet d’éviter les collisions est la coopération entre les différents acteurs présents en orbite. Depuis le début des années 1990, de nombreuses agences spatiales ont rejoint le comité inter-agences de coordination des débris spatiaux, qui recense une série de lignes directrices pour tenter de gérer le problème. Ce comité recommande ainsi de dépressuriser tous les containers d’un satellite arrivé en fin de vie, ce qui doit permettre d’éviter les explosions accidentelles, un risque qu’il ne faut pas prendre à la légère. Ces derniers jours, des images d’un satellite Intelsat subissant des explosions non contrôlées ont été publiées sur internet. Une fuite de carburant serait à l’origine du problème. Le comité recommande aussi d’abaisser suffisamment leur orbite pour qu’ils se consument dans l’atmosphère en moins de 25 ans. Ce ne sont malheureusement que des lignes directrices et aucune sanction n’est prévue contre un acteur qui ne le respecte pas. Jusqu’ici, seule la moitié des missions se sont conformées à ce cadre.

Les débris spatiaux sont un excellent exemple d’un problème qui bénéficierait d’une solution mondiale. Dans les pires scénarios, il est possible que l’humanité perde complètement l’usage de l’orbite terrestre. C’est le syndrome de Kessler, selon lequel l’accroissement du nombre d’objets en orbite va augmenter le nombre de collisions et chaque collision va créer un nombre important de nouveaux débris spatiaux, qui vont à leur tour augmenter les chances de collision. Il y a donc un risque de réaction en chaîne qui pourrait rendre certaines orbite complètement impraticables. Certains services comme le GPS ou les télécommunications par satellite pourraient disparaître.

Face à ce risque, toutes les orbites ne sont pas gérées de la même façon. Les orbites les plus basses sont régulièrement nettoyées par les couches résiduelles de l’atmosphère. Cela présente donc un risque relativement faible mais certains experts estiment que la couche située entre 900 km et 1200 km d’altitude va bientôt être saturée. Or c’est l’altitude visée par les satellites de la constellation OneWeb et par plus de 4000 satellites de la constellation Starlink. Heureusement, OneWeb et Starlink devraient se soumettre à des contraintes encore plus drastiques que celles formulées par le comité inter-agences de coordination des débris spatiaux. OneWeb a ainsi annoncé que ses satellites seront désormais tués seulement cinq ans après leur fin de vie. Une partie de leur carburant sera réservé à cette tâche. Les satellites de la constellation Starlink devraient eux aussi être capables de cela.

Des solutions existent pour faire baisser le nombre de débris spatiaux

Cependant, ce ne sera peut-être pas suffisant. Il suffit d’un seul accident pour ajouter à des milliers de micro-débris spatiaux impossibles à suivre au radar. C’est pourquoi certains préparent déjà des stratégies de nettoyage actif de l’orbite. Cette tâche paraît dantesque car désorbiter des dizaines de milliers de débris spatiaux dangereux nécessiterait l’investissement de ressources énormes. On peut cependant faire les choses de manière intelligente en se concentrant sur les plus gros débris spatiaux car ce sont eux qui représentent le plus grand risque d’être à l’origine d’une réaction en chaîne s’il explose. Pour le moment, seuls des tests sont réalisés.

Le satellite Remove Debris a été mis en orbite il y a un an et a montré qu’il est capable de capturer de petites cibles à l’aide d’un filet et d’un harpon. Une fois sa collecte terminée, il augmentera sa traînée atmosphérique à l’aide d’une grande voile pour accélérer sa rentrée dans l’atmosphère. L’agence spatiale européenne est aussi particulièrement active dans ce domaine. A travers son initiative Clean Technologies, l’ESA réfléchit à une mission pour désorbiter un ancien satellite grâce à un filet ou à un bras robotique, ce qui serait une première mondiale. Ce test pourrait avoir lieu dès 2023. D’autres acteurs réfléchissent à des vaisseaux spécialisés dans la réparation et le ravitaillement des satellites. Augmenter leur durée de vie signifie diminuer les besoins de nouveaux lancements. La Chine a proposé d’utiliser un laser de forte puissance en orbite pour dévier certains débris spatiaux et accélérer leur rentrée dans l’atmosphère. Ces solutions sont lentes et chères, mais au moins elles existent.

L’atmosphère terrestre subit aussi l’activité spatiale de l’Humanité

L’industrie spatiale est aussi responsable d’une certaine pollution de l’atmosphère terrestre. Bien qu’une partie des moteurs utilisés ne relâche que de la vapeur d’eau, d’autres moteurs libèrent des produits de combustion très toxiques. C’est par exemple le cas des lanceurs russes Proton. Les effets des lancements sur l’atmosphère sont encore très mal connus. Pour une centaine de lancements par an, l’impact est probablement très faible. Il va pourtant falloir se pencher sur la question si les cadences de tir sont amenés à accélérer. Le tourisme suborbital de masse pourrait par exemple avoir un impact notable sur l’atmosphère.

Il faut ajouter à cela les rentrées atmosphériques des débris spatiaux. Les débris spatiaux ne disparaissent pas par magie, ils brûlent dans l’atmosphère et les conséquences de ces combustions se retrouvent directement dans l’atmosphère. L’industrie spatiale utilise toutes sortes de matériaux exotiques dont certains sont radioactifs. On a déjà connu des incidents au cours desquels des RTG et même des réacteurs nucléaires sont rentrés dans l’atmosphère, ce qui a déclenché des opérations de décontamination longues et coûteuses.

2019 pourrait être une année charnière pour la gestion des objets spatiaux

Comme toutes les activités humaines, l’industrie spatiale a un impact sur l’environnement. En seulement 60 ans, l’Humanité a mis en orbite un nombre assez incroyable d’objets artificiels. L’immense majorité de ces objets ne sont plus d’aucune utilité et représentent au contraire un risque. L’année 2019 devrait marquer le début de l’ère des méga constellations de satellites qui vont faire grandir ce problème. Espérons qu’une gestion intelligente de la fin de vie des satellites sera mise en place. Il faudra tout de même rester très vigilant pour éviter les collisions et un éventuel syndrome de Kessler. Ce sera aussi intéressant de quantifier l’impact des activités de lancement de fusées sur l’effet de serre ou sur la couche d’ozone. Les aventures humaines vers la Lune ou vers la planète Mars ne doivent pas avoir lieu aux dépens de la planète bleue.







Les entreprises de nettoyage des débris spatiaux font leurs preuves

— Actualités du 6 novembre 2018 —

RemoveDebris est une initiative européenne pour tester les techniques de désorbitation des débris spatiaux. Les expériences du satellite vont continuer en 2019. Les premiers résultats sont concluants. En septembre RemoveDebris est parvenu à capturer un satellite à l’aide d’un filet. Cette démonstration pourrait ouvrir la voie à un véritable service de désorbitation des débris spatiaux. Mais s’attaquer aux débris un par un risque de coûter extrêmement cher. Il semble pourtant qu’il n’y ait pas vraiment d’autre alternative. Dans une étude de la DARPA, on peut lire que le nettoyage de l’orbite terrestre va fatalement devenir indispensable pour maintenir les risques opérationnels à un niveau acceptable, et depuis 2011 les perspectives ne sont pas bonnes.

Il y a quelques jours, Elon Musk a déclaré qu’il cherche à accélérer la mise en orbite de la constellation Starlink, qui devrait être constituée de centaines ou de milliers de petits satellites. SpaceX a commencé son déploiement, et dès le milieu de l’année prochaine la constellation pourrait grimper jusqu’à 12000 satellites. D’autres constellations de satellites concurrentes ont des projets aussi ambitieux.

On a appris le 31 octobre que l’entreprise japonaise Astroscale a obtenu un financement de 50 millions de dollars. Astroscale travaille sur la gestion des débris spatiaux. L’entreprise souhaite développer des satellites capables de manoeuvres de rendez-vous orbital. Ils pourraient alors aller chercher des satellites en fin de vie puis les emmener se consumer dans l’atmosphère. Astroscale pense qu’avec l’entrée en service de constellations de satellites, un gros marché s’ouvre. Starlink, OneWeb et les autres projets de constellations de satellites vont avoir un tel impact sur l’orbite terrestre que la loi devrait évoluer pour en tenir compte. Les pouvoirs publics et les opérateurs privés vont forcément devoir prendre en compte ce problème, même si le coût est élevé.

Astroscale espère donc pouvoir offrir une solution viable, technologiquement et économiquement. Ce financement de 50 millions de dollars est aussi le signe d’un secteur spatial privé japonais en bonne santé. En décembre dernier, une entreprise d’exploration lunaire a obtenu un financement de 90 millions de dollars, et en mars 2018 le gouvernement japonais annonçait la création d’une enveloppe de presque 1 milliard de dollars sur cinq ans pour supporter son secteur spatial privé. Le nombre de débris spatiaux ne cesse d’augmenter, malgré la prise de coscience des entreprises et des gouvernements. Espérons qu’il ne faudra pas qu’un incident ait lieu avant que des décisions fortes soient prises.

L’expérience RemoveDebris s’attaque aux débris spatiaux avec un filet et un harpon

— Actualités du 26 juin 2018 —

En 2017, 335 SmallSats on été lancés avec des poids allant de quelques dizaines de grammes à quelques centaines de kilos. C’est six fois plus qu’en 2012 et la tendance devrait continuer à s’accélérer. Les entreprises, les universités, les gouvernements et les armées semblent adorer les SmallSats. Tous ces lancements sont le signe d’une industrie spatiale florissante. Mais mettre une charge utile en orbite demande une certaine maîtrise technique et engendre des responsabilités. Avec la multiplication des opérateurs de satellites, comment peut-on s’assurer du sérieux de tout le monde ?

En janvier dernier, la FCC, l’organisme qui régule les télécommunications par satellite aux Etats-Unis d’Amérique, révélait que quatre SmallSats avait été lancés sans son accord. La FCC jugeait ces satellites dangereux car ils étaient trop petits pour être facilement suivis par radar. Il est déjà difficile d’éviter les collisions lorsque tout le monde respecte les règles. En plus de cela, les SmallSats restent souvent en orbite des années après la fin de leur vie opérationnelle. La congestion de l’orbite terrestre risque donc de s’accélérer et c’est la problématique des débris spatiaux devient de plus en plus difficile à ignorer.

L’expérience RemoveDebris vient d’être lancée depuis la station spatiale internationale. Il s’agit encore une fois d’un SmallSat qui a été construit par l’université de Surrey au Royaume-Uni avec la participation d’Airbus. RemoveDebris a une masse d’une centaine de kilos. Il s’agit du plus gros satellite mis en service depuis l’ISS. Il embarque trois expériences qui vont tester trois méthodes différentes pour désorbiter des débris spatiaux en fin de vie. Pour les besoins de ses démonstrations, le petit satellite embarque ses propres cibles qui seront libérées avant d’être désorbitées. Il est en effet interdit de toucher aux satellites d’un autre, même si ceux-ci ne sont plus opérationnels.

Le satellite va passer les prochains mois à être testé, puis en septembre ou en octobre la première expérience devrait démarrer. RemoveDebris laissera partir un petit CubeSat jusqu’à une distance de quelques mètres, puis lui lancera un filet pour le récupérer. En quelques millénaires, les méthodes de capture n’ont pas beaucoup changé. En février 2019, RemoveDebris testera un harpon. RemoveDebris laissera partir un CubeSat avant de le ramener à l’aide d’un harpon. Capturé des SmallSats est une bonne chose mais ensuite il faut les traiter. C’est là qu’intervient la troisième expérience. Après avoir libéré et capturé ses deux cibles au mois de mars 2019, RemoveDebris déploiera une voile qui augmentera considérablement sa traînée. Les traces très faibles de gaz présent en orbite basse provoqueront la combustion de RemoveDebris dans l’atmosphère terrestre. Au cours de ces quelques mois en orbite, le satellite d’expérimentation testera également une technologie de navigation. L’objectif est de pouvoir suivre de petites cibles éloignées.

Toutes les expériences seront filmées pour s’assurer de leur bon déroulement. Si l’expérience est un succès, on pourra peut-être imaginer des satellites nettoyeurs qui harponnent quelques dizaines de débris spatiaux avant de se désborbiter grâce à une voile. Cela risque d’être lent et de coûter très cher mais c’est tout de même mieux que d’avoir une orbite basse impraticable. La technique de la voile ne marcherait également que pour les orbites de faible altitude.

La station spatiale chinoise Tiangong-1 est détruite

— Actualités du 3 avril 2018 —

La station spatiale chinoise Tiangong-1 s’est consumée au-dessus de l’océan Pacifique le 1er avril. Ce n’est pas la première fois qu’une station spatiale fait une rentrée atmosphérique destructive. En 2001, MIR s’était aussi abîmer dans l’océan Pacifique. L’océan Pacifique Sud deviendra peut-être un cimetière de stations spatiales. La station spatiale internationale (ISS) s’y écrasera aussi probablement. Pour cela, il faut réussir à contrôler les rentrées atmosphériques de ces stations spatiales, ce qui n’est pas simple.

Les russes ont de l’expérience. En plus de MIR, ils ont réussi à contrôler les rentrées atmosphériques des stations spatiales Saliout 4, 5, 6 et 7. Du côté des Etats-Unis, c’est un peu moins glorieux. La rentrée atmosphérique du Skylab, volontairement non contrôlée, s’est terminée avec des débris percutant des zones habitées de l’ouest de l’australie, heureusement sans victimes.Tiangon-1 avait été lancé en 2011. C’était la première station spatiale chinoise. Tiangong-2 a été lancé en 2016, et une nouvelle station spatiale devrait commencer à être assemblée dès cette année. Elle sera beaucoup plus massive avec trois modules pressurisés. Les chances d’être touché par un débris sont heureusement très faibles, mais on se rappelle qu’il y a moins de trois mois un étage d’une fusée Long March 3 s’est écrasé dans un village en Chine.

La multiplication des lancements génère forcément plus de débris et plus de rentrées atmosphériques. On pourrait déjà dire qu’elles sont devenues quotidiennes ou presque. Heureusement, la plupart de ces débris ne sont pas assez massifs pour arriver jusqu’au sol. Dans les prochains jours, un système de lancement double d’une fusée Ariane 5 lancée en mai 2007 devrait lui aussi faire une rentrée destructive. La pièce ne fait cependant que 440 kg. On aura droit à un peu plus gros avec la rentrée destructive du satellite RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer) de 2,7 tonnes, lancé en 1995 par la NASA.

Parmis les autres facteurs de multiplication des rentrées atmosphériques, il y a aussi les méthodes de nettoyage de l’orbite basse, par exemple l’expérience RemoveDEBRIS qui a été lancée hier avec la Falcon 9. Elle tentera de capturer un CubeSat avec un autre satellite dôté d’un filet, puis l’ensemble se laissera tomber vers la haute atmosphère. Peut-être que dans quelques décennies, les nuits terrestres seront illuminées par des étoiles filantes artificielle, les témoins d’une activité intense de l’homme dans l’espace.

Des lasers pourraient désorbiter des débris spatiaux

— Actualités du 23 janvier 2018 —

Avec tous les lancements de Smallsats, on peut se demander si l’orbite terrestre ne va pas devenir une décharge. La multiplication des objets en orbite multiplie les risques de collision. En orbite, il y a des engins qui valent des milliards de dollars et même des vies humaines. Les agences spatiales et les entreprises privées essayent de trouver des solutions à ce problème. Même la Chine semble de plus en plus impliquée pour résoudre cette problématique. Et pourtant, c’était loin d’être évident car le nuage de débris actuellement en orbite s’est en grande partie créé lors d’un test chinois de missiles anti-satellites en 2007. Ce nuage de débris a même causé d’importants dégâts à un satellite russe en 2013. La Chine met en orbite de plus en plus de satellites et doit maintenant se soucier de ses débris, et les autres agences gouvernementales aussi. Pour le moment, les mesures se limitent à la désorbitation des satellites et des stations spatiales en fin de vie. La station Tiangong-1 devrait d’ailleurs bientôt retomber sur Terre.

Une université liée à l’armée de l’air chinoise propose d’utiliser des lasers pour nettoyer un peu l’orbite. L’objectif n’est pas d’utiliser ces lasers pour désintégrer les débris, ce qui serait contre-productif car on obtiendrait des débris plus petits. L’approche de l’équipe universitaire est un peu plus subtile. Ils pensent qu’en vaporisant une petite partie d’un débris, il est possible de lui donner une accélération et donc de modifier sa trajectoire et ainsi pouvoir le désorbiter.

Pour arriver à des résultats optimaux, il faudrait que le laser soit placé dans une station spatiale. Mais les Etats-Unis d’Amérique ne sont pas favorables à la présence d’un laser chinois en orbite. Il est en effet difficile de juger si cette démarche part d’une réelle bonne volonté ou si c’est juste un prétexte pour installer des lasers dans l’espace. Car après tout, les lasers pourraient aussi fonctionner sur des cibles qui ne sont pas encore des débris spatiaux. D’une certaine façon, cela pourrait être perçu comme une violation du traité de l’espace qui interdit le déploiement d’armes de destruction massive dans l’espace, et la Chine est l’un de ses signataires depuis les années 1980.

Brane Craft, un concept pour nettoyer les débris spatiaux de l’orbite terrestre

— Actualités du 26 septembre 2017 —

Les débris spatiaux sont un danger croissant. Ils augmentent les risques de collision avec les satellites et les autres objets qui gravitent autour de la Terre. La NASA travaille sur cette problématique en développant avec l’entreprise Aerospace Corporation le Brane Craft, un petit vaisseau spatial d’un mètre sur un mètre, et d’une épaisseur inférieure à un cheveu humain. Il fonctionne en s’enveloppant autour de sa cible pour la capturer. C’est encore d’un concept d’études pour la NASA, mais la solution est particulièrement ingénieuse et économe si les défis techniques qui l’accompagnent peuvent être résolus.

La NASA vient de renouveler une bourse d’études de deux ans à son entreprise partenaire pour continuer les recherches sur le micro-vaisseau. Pour désorbiter sa cible, un Brane Craft utilisera la propulsion électrique. Sa surface est recouverte de cellules photovoltaïques et son carburant est stocké dans les 10 micromètres qui séparent les deux feuilles de capton qui constituent le vaisseau spatial. L’ensemble pèse seulement 80 grammes mais serait capable de désorbiter un débris spatial de 2 kg en orbite basse. La propulsion serait assurée par un moteur à électro-spray, une forme de propulsion électrostatique qui devra elle-aussi être miniaturisée pour tenir dans l’épaisseur d’un cheveu. L’ensemble apparaît très efficace avec une impulsion spécifique de 4000 secondes dans les conditions d’ensoleillement de l’orbité terrestre. L’intérêt est de pouvoir lancer plusieurs milliers de ces Brane Craft avec une seule fusée, rendant ainsi possible le nettoyage de l’orbite basse, rapidement et avec un coût relativement peu élevé.

Mais il ya tout de même de nombreux défis à relever avant de pouvoir les envoyer capturer des débris spatiaux. L’ultra-miniaturisation a un coût et Aerospace Corporation estime qu’un Brane Craft coûterait tout 5000 dollars, pour seulement 80 grammes. L’électronique et les matériaux utilisés pour fabriquer le Brane Craft doivent pouvoir survivre au moins quelques dizaine de jours aux conditions extrêmes de l’espace. Mais si Aerospace Corporation parvient à mettre au point le Brane Craft, alors l’entreprise aura des débouchés qui iront bien au-delà du simple nettoyage de débris spatiaux dans l’orbite terrestre. Du fait de son très faible poids et de sa surface importante de panneaux solaires, le vaisseau spatial se retrouverait avec un rapport poids-puissance démesuré. En effet, il serait en réalité capable d’aller se mettre en orbite autour de Neptune avec les seulement 27 grammes de carburants contenus dans le vaisseau spatial. Mais les efforts de miniaturisation et de recherche sur les matériaux à fournir sont encore gigantesques.

Image by NASA employee [Public domain], via Wikimedia Commons

Sources

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