Piégés sur la terre: les débris spatiaux et l'avenir des missions spatiales

2024/06/01 Iñigo González de Arrieta Martínez - EHUko Fisika Saila | Iker González Cubiella - Xabier Zubiri - Manteo BHIko irakaslea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Teknologia
• Astronautika
• Telekomunikazioak

On sait que la Lune est le seul satellite naturel qui orbite autour de notre planète, mais il y a beaucoup d'autres satellites envoyés par l'homme, les satellites artificiels. Les télécommunications, la météorologie, l'espionnage... sont innombrables. Mais que se passe-t-il lorsque tous ces satellites artificiels arrivent à la mort? Le slogan réduire, recycler, réutiliser ne vaut pas dans l'espace. Gravity (2013) a publié en son temps les dangers que le ciel soit rempli de débris spatiaux. La collision par satellite a provoqué la fragmentation des satellites dans des milliers de petits fragments (appelés micrométéorites) qui ont commencé à orbiter à grande vitesse, ce qui a entraîné d'énormes problèmes de tête à Sandra Bullock pour retourner sur Terre. En dehors de la science, la prolifération de ces micrométéorites a aggravé le secteur spatial (figure 1). Que se passerait-il si un jour la densité de météorites atteignait une valeur critique, trop grande pour pouvoir quitter la Terre sans dommage ?

Ce problème hypothétique est appelé syndrome de Kessler, proposé en 1978 par Donald Kessler et Burton Cour-Palais. Les chercheurs ont calculé la quantité de déchets qui peut être produite à la suite des collisions entre les déchets spatiaux. Son modèle prédit une densité critique de réaction en chaîne où la croissance des micrométéorites est exponentielle (comme une bombe nucléaire). Une fois ce point dépassé, le ciel serait rempli de déchets et les humains seraient obligés de rester sur la Terre définitive. Cependant, jusqu'à présent, nous n'avons pas atteint la situation décrite dans ce calcul, mais la tendance évolue rapidement. Dans un nouvel exemple de dilemme tragique des salles de bains, le nombre d'objets envoyés dans l'espace ne diminue pas, mais augmente, surtout par des mégaprojets comme le Starlink de Space X. Par conséquent, compte tenu de tout cela, il semble très probable que la prévision de Kessler devienne réalité. Dans cet article, nous chercherons à analyser la faisabilité de ce problème à travers les prévisions actuelles.

Analyse de la gravité du problème

Comme l'intérieur de la Terre, l'extérieur est divisé en couches. La distance entre l'atmosphère terrestre et la ceinture de Van Allen est appelée orbite terrestre inférieure ou LEO (en anglais Low Earth Clubs) et se situe à environ 2 000 km de la surface terrestre. La moitié des déchets présents dans cette orbite proviennent de deux collisions: Test ASAT (réalisé par la Chine en 2007 à l'aide d'un missile pour les explosions de satellites) entre Kosmos 2251 et Iridium 33. Sur tout le LEO, US Space Force a compté 22 936 objets en 2022 (Figure 2). Cependant, ce chiffre est très méprisé:L'Agence spatiale européenne estime qu'il y a 130 millions d'objets de plus de 1 mm dans le LEO.

Beaucoup plus loin, à 35,786 km, se trouve l'orbite géosynchrone (GEO). Les objets de cette orbite se déplacent proportionnellement à la rotation de la Terre, donc ils apparaissent toujours au même point du ciel de notre point de vue. Ceci est essentiel pour les satellites de communication et pour les satellites de surveillance du climat, car il permet de contrôler leurs positions à tout moment. Ils permettent également d'établir des repères fixes pour d'autres satellites, tels que les GPS, qui orbitent plus près de la Terre mais qui doivent assurer la traçabilité des positions. La figure 2 présente les différents types d'orbites: Le nuage proche de la Terre est appelé LEO et l'anneau qui semble bien marqué à l'extérieur est GEO. Il s'agit de l'orbite centrale (MEO), où il existe des systèmes de navigation globaux comme le GPS. Enfin, quelques points sont observés en dehors de l'orbite géosynchrone, dans des orbites appelées cimetière. Dans ces orbites sont laissés les satellites qui ont fini leur vie opérationnelle afin qu'ils n'interfèrent pas dans l'orbite GEO.

Les caractéristiques des orbites sont très importantes pour comprendre l'état des débris spatiaux. Indépendamment des aspects techniques de chaque type, les niveaux de friction de l'air sont également très différents. Ce phénomène est appelé détérioration orbitale et est observé par tous les corps en orbite terrestre. La détérioration de l'orbite LEO est remarquable, et les satellites y contenus ont besoin de propulseurs pour rester en orbite. Les déchets de l'orbite terrestre inférieure reviendront donc dans notre atmosphère dans environ 25 ans. Cependant, dans l'orbite géosynchrone, la densité des gaz est très faible et le déclin des déchets spatiaux est beaucoup plus lent. Cela signifie que la surpopulation des satellites et la production de déchets spatiaux seront beaucoup plus difficiles à gérer dans cette importante orbite.

Cependant, contrairement aux prévisions de Kessler, il n'y a eu qu'une collision de gros satellites en 2009. En analysant les données, les calculs semblent avoir surestimé la probabilité d'un tel choc. Étant la principale façon de générer des déchets spatiaux, beaucoup pensent que la peur de rester pris au piège sur notre planète est injuste. Toutefois, ce qui précède ne décrit que la situation business-as-usuelle, qui n'est pas garantie. En fait, le nombre de vaisseaux spatiaux a considérablement augmenté au cours de la dernière décennie, comme le montre la figure 1. Tant la militarisation de l'orbite terrestre inférieure que les propositions comme Starlink constituent un précédent inquiétant que nous examinerons dans la section suivante.

Nouveaux membres de l'espace: Starlink, armées...

Bien que la situation actuelle ne semble pas trop grave, nous avons des raisons de craindre un processus d'aggravation. D'une part, l'Inde a suivi les traces de la Chine et a testé l'arme contre ses satellites en 2019. Il semble que le monopole des États-Unis dans la technologie militaire des satellites soit en train de s'achever, et peu d'armées veulent participer à ce nouveau scénario de conflit potentiel.

D'autre part, si ce qui est proposé dans le projet Starlink d'Elon Muskiz est respecté, nous aurons 50 000 nouveaux satellites orbitant autour de notre planète et la probabilité de collision sera plus grande. Les satellites de communication des générations précédentes étant situés en orbite OGM, leurs signaux prenaient plus de temps à atteindre et ne permettaient pas de généraliser massivement Internet rapide par satellite. En novembre 2018, le gouvernement des États-Unis a autorisé Elon Muskiz à lancer 7 518 satellites dans le LEO. En février 2024, 5.289 satellites Starlink sont déjà opérationnels, avec plus de 2 millions d'abonnés. Pour le moment, cette augmentation massive du nombre de satellites n'a pas entraîné une augmentation significative des déchets, mais si cette tendance est suivie, il semble que la réaction en chaîne des déchets spatiaux annoncée par Kessler soit une question de temps.

L'Union internationale des télécommunications a déjà reçu des demandes pour des constellations moins connues mais bien supérieures à Starlink, comme la constellation Cinnamon 937 sur 337 000 satellites présentée par le Rwanda. Il existe des commandes pour plus de 90 constellations de plus de mille satellites et, compte tenu de toutes les demandes, ils estiment que le nombre de satellites en orbite augmenterait jusqu'à 115 fois.

Que faire? Gestion active et passive des déchets

À ce stade, il est clair qu'il n'est pas possible pour l'instant de produire moins de déchets, et de nombreuses propositions ont été faites pour éliminer les déchets. Comme nous l’avons vu, différentes méthodes de gestion sont nécessaires pour chaque type d’orbite. En raison de la détérioration orbitale, les déchets du LEO tombent sur Terre relativement rapidement, mais ce n'est pas si facile pour les satellites OGM, qui ont une demi-vie millénaire. Pour protéger cette orbite, il est donc nécessaire que ces navires se déplacent vers d’autres orbites, appelées « orbites funéraires ». Cependant, les orbites funéraires remarquent également un problème de surpopulation. Des technologies actives de nettoyage en orbite ont donc été mises au point.

D'autres formes de collecte des ordures ont également été proposées : utiliser des arpons ou des filets pour récupérer des satellites, les récupérer à l'aide d'aimants ou utiliser des lasers pour réchauffer le satellite et accroître la détérioration orbitale. Malheureusement, la plupart des propositions ne peuvent être trouvées que dans la littérature scientifique actuelle, sans prototypes opérationnels. Cependant, il convient de noter que parmi les prototypes les plus développés à ce jour se trouve un design d’ESA, ClearSpace-1 (figure 3). Cette méthode atropella physiquement de grands restes de satellites et de fusées avant leur chute sur Terre et devrait commencer à fonctionner en 2025. Si tel était le cas, ce serait le premier système qui fonctionne pour nettoyer les orbites, ce qui montrerait que nous sommes encore à temps pour éviter une catastrophe.

Y a-t-il des raisons de s'inquiéter?

Il est difficile de prévoir l'ampleur du problème à long terme car il dépend des plans d'utilisation de l'espace des gouvernements, des grandes entreprises et des armées. Cependant, il est clair que, comme la gestion des déchets terrestres, la gestion des déchets de l'espace sera également essentielle. Tant que le nombre de satellites augmente, la probabilité de collisions et de réactions en chaîne augmentera, et chacun sait les conséquences. Bien que les missions spatiales puissent être poursuivies dans un proche avenir, la croissance des coûts peut rendre l'exploitation de l'espace inutilisable, tant du point de vue scientifique que commercial. Il convient de ne pas l'oublier et de ne pas compromettre la possibilité de profiter de l'espace à long terme par les avantages économiques immédiats. Nous avons commencé à remarquer 50 ans après le changement climatique et certaines conséquences sont déjà irréparables. Ne laissons pas ce problème des déchets spatiaux à nos générations futures, et nous le résolvons avant qu'il ne soit trop tard.

Bibliographie

[1] Zientzia.eus. (2014). Débris spatiaux. https://zientzia.eus/artikuluak/zabor-espaziala/

[2] Wall, M. (2022). Kessler Syndrome and the space debris. https://www.space.com/kessler-syndrome-space-debris

[3] United States Space Force (2023) – processed by Our World in Data: “Objects in space”. https://ourworldindata.org/grapher/low-earth-orbits-objects

[4] Etxebeste, E. (2023). Ils mettent en garde contre la nécessité de maintenir la montée des satellites. Elhuyar aldizkaria, 352.

[5] McDowell, J. Starlink Launch Statistics. https://planet4589.org/space/con/star/stats.html

[6] Shan, M., Guo, J., & Gill, E. (2016). Review and comparison of active space debris capturing and removal methods. Progress in Aerospace Sciences, 80, 18-32.

[7] Adilov, N., Alexander, P. J. & Cunningham, B. M. (2018). An economic “Kessler Syndrome”: A dynamic model of earth clubdebris. Economics Letters, 166, 79-82.