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Comment les satellites « low-cost » transforment le spatial

Des lasers pour modifier la trajectoire des débris spatiaux

Sophy Caulier, journaliste indépendante
Le 27 avril 2021 |
4 mins de lecture
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Des lasers pour modifier la trajectoire des débris spatiaux
Christophe Bonnal
Christophe Bonnal
chercheur, expert en débris spatiaux à la direction des lanceurs du CNES
En bref
  • Selon Christophe Bonnal, expert en débris spatiaux au CNES, il y aurait aujourd’hui plus de 130 millions d'objets de plus d’un millimètre en orbite.
  • Il faut cependant plus de 1 000 ans aux débris pour redescendre de 1 000 kilomètres : ils restent donc très longtemps en orbite, risquant ainsi grandement de se percuter.
  • Des solutions sont dès lors mises en place par les experts pour neutraliser ces débris : des nanosatellites peuvent venir se greffer à eux pour dévier leurs trajectoires et éviter les collisions.
  • Des nuages de nanoparticules peuvent également être vaporisés pour les ralentir : une variation d'une seconde sur une orbite de 90 minutes peut suffire à éviter une collision.
  • Autre solution : inciser, grâce à des lasers, la surface du débris afin de générer un panache de gaz susceptible de dévier sa trajectoire.

Pourquoi par­le-t-on autant des débris spatiaux ?

Christophe Bon­nal. Parce que c’est un enjeu extrême­ment impor­tant aujourd’hui. Le nom­bre de débris – c’est-à-dire d’objets orbitaux non fonc­tion­nels, comme des étages de fusées ou des satel­lites en fin de vie –, aug­mente de façon expo­nen­tielle depuis le lance­ment de Spout­nik 1, en 1957. On trou­ve aujourd’hui plus de 24 000 objets dans l’espace, qui font plus de 10 cm en orbite basse, et plus d’1 mètre en orbite géostationnaire. 

À cela s’a­joutent 900 000 objets de plus de 1 cm et quelques 130 mil­lions d’ob­jets de plus de 1 mm. Tous ces objets sont sus­cep­ti­bles de neu­tralis­er un satel­lite, selon l’en­droit où ils le per­cu­tent. On a d’ailleurs atteint une den­sité cri­tique d’ob­jets dans la bande d’alti­tude entre 700 et 1100 km : le nom­bre de nou­veaux objets est supérieur au net­toy­age naturel dû à l’atmosphère.

Cepen­dant, et même si l’on arrê­tait aujourd’hui de lancer des objets dans l’e­space, le nom­bre de débris con­tin­uerait d’aug­menter, car chaque col­li­sion en génère de nou­veaux : c’est le syn­drome de Kessler. L’ex­em­ple le plus célèbre est la col­li­sion en 2009 de deux satel­lites de 750 kg, le russe Kos­mos 2251 et le satel­lite act­if de télé­com­mu­ni­ca­tions améri­cain Irid­i­um 33. Cette col­li­sion a généré 4 000 nou­veaux débris. 

Les débris ne retombent-ils pas dans l’at­mo­sphère à un moment ou à un autre ?

Certes, tout finit par redescen­dre dans l’at­mo­sphère résidu­elle, mais il faut 200 ans à un objet pour descen­dre de 800 km… et 1 000 ans pour descen­dre de 1 000 km. Entretemps, ils risquent fort d’entrer en col­li­sion, notam­ment en orbite basse. Le cen­tre spa­tial de Toulouse a ain­si reçu pas moins de 3 mil­lions d’alertes de rap­proche­ment en un an ! On peut éviter les col­li­sions entre des objets qui peu­vent être manœu­vrés, mais pas entre des débris inertes.

Cela dit, les choses évolu­ent depuis la fin des années 90. Les grandes agences spa­tiales ont adop­té des régle­men­ta­tions qui visent à réduire le vol­ume de débris, notam­ment en inci­tant à ne pas en génér­er de nou­veaux, ou en évi­tant tant que pos­si­ble les col­li­sions. Le prob­lème est que ces règles, qui sont dev­enues des stan­dards européens et inter­na­tionaux, sont peu respec­tées : on enreg­istre encore une douzaine d’ex­plo­sions d’ob­jets spa­ti­aux par an. Seule la France a trans­for­mé les stan­dards inter­na­tionaux en loi, avec sa Loi sur les opéra­tions spa­tiales (LOS).

Les dif­férents débris spa­ti­aux © Christophe Bonnal

Quelles solu­tions per­me­t­traient de gér­er ces risques de col­li­sion et d’en dimin­uer les conséquences ?

Elles sont de deux sortes. La solu­tion la plus étudiée est jusqu’à présent d’aller net­toy­er l’e­space de ses plus gros débris. C’est ce que l’on appelle l’ADR, pour « Active Debris Removal ». On par­le là de débris aus­si impor­tants qu’un étage du lanceur sovié­tique Zen­it, qui fait 9 mètres et 9 tonnes, et dont 45 exem­plaires cir­cu­lent dans l’e­space. L’A­gence spa­tiale européenne a ain­si con­fié à la start-up suisse Clear­Space la réal­i­sa­tion d’un démon­stra­teur qui ira récupér­er un étage du lanceur Vega situé en orbite basse depuis 2013. Ces solu­tions stratégiques sont effi­caces à long terme. Si l’on par­ve­nait à enlever une dizaine de ces gros débris par an, la crois­sance cesserait d’être expo­nen­tielle, et sur 20 ans, on parviendrait à sta­bilis­er la sit­u­a­tion générale.

Mais aujour­d’hui, nous avons un autre prob­lème : com­ment éviter une col­li­sion entre des objets non manœu­vrants ? Les radars per­me­t­tent aujourd’hui d’anticiper les col­li­sions… mais pas de les éviter. Dans ce cas, il faut une solu­tion d’or­dre tac­tique. C’est le « Just-in-time Col­li­sion Avoid­ance » (JCA), qui con­siste à mod­i­fi­er l’or­bite de l’un des deux objets afin d’éviter la col­li­sion. La vitesse d’un débris étant de 8 km par sec­onde, il suf­fit de la mod­i­fi­er d’un cen­tième de sec­onde 24h avant la col­li­sion pour dégager une marge de 1 km.

Com­ment fait-on pour ralen­tir la vitesse d’un débris non manœu­vrant en orbite ?

Actuelle­ment, il existe trois méth­odes. La pre­mière con­siste à envoy­er un essaim de petits satel­lites de type Cube­Sat au milieu d’un nuage de gros débris aux­quels ils vont s’ac­crocher avant de se met­tre en som­meil. En cas de risque de col­li­sion, ils pour­ront être « réveil­lés » afin de déplac­er le débris auquel ils sont accrochés. Mais il reste encore plusieurs points à dévelop­per, comme l’ac­crochage aux débris, la com­mu­ni­ca­tion avec la Terre, ou le coût. 

La deux­ième solu­tion, très élé­gante, vise à mod­i­fi­er l’or­bite par laser. De tout petits puls­es déposent à la sur­face du débris une énergie très élevée qui vapor­ise la sur­face. Le laser provoque une très légère abla­tion, qui génère en s’éjectant un petit panache de gaz, qui agit alors comme un moteur de fusée. Plus que la tra­jec­toire du débris, on mod­i­fie sa péri­ode – une vari­a­tion d’une sec­onde sur une orbite de 90 min­utes fait que le débris per­dra 14 sec­on­des en 24 heures. Cela suf­fit à éviter la collision.

La troisième solu­tion, bap­tisée Space Blow­er, con­siste à créer une atmo­sphère arti­fi­cielle devant le débris en pul­vérisant un nuage de micropar­tic­ules pour le ralentir.

Toutes ces solu­tions néces­si­tent-elles une inter­ven­tion depuis l’espace ?

Pas for­cé­ment, mais il est cer­tain que cela facilit­erait les inter­ven­tions. Il y a déjà plusieurs pro­jets d’« in orbit ser­vices », des sta­tions-ser­vices dans l’e­space. À l’in­star des camion­nettes de dépan­neurs, ces sta­tions en orbite seraient capa­bles d’ef­fectuer dif­férentes mis­sions comme, par exem­ple, de désor­biter ou de rav­i­tailler en car­bu­rant un satel­lite. Cela pour­rait aus­si con­tribuer à financer les dif­férentes solu­tions d’évite­ment des collisions.

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