Nanosatellites : un simple outil pédagogique bon marché ?

L’espace, jusqu’alors un ter­rain réser­vé à quelques agences gou­ver­ne­men­tales, est aujourd’hui acces­sible au plus grand nombre. Les satel­lites ont eux aus­si pro­fi­té de la minia­tu­ri­sa­tion de l’électronique, jusqu’à atteindre l’échelle des « nano­sa­tel­lites ». Même si cette caté­go­rie n’a pas de contours pré­cis, elle désigne géné­ra­le­ment les satel­lites de petite taille : entre 1 et 25 kg, quand les « mini-satel­lites » pèsent eux entre 100 et 500 kg, et un satel­lite de télé­com­mu­ni­ca­tions « stan­dard » près de 6 000 kg.

Leur petite taille, leur faible coût et l’émergence d’un éco­sys­tème de four­nis­seurs per­mettent de faci­li­ter l’accès à l’espace pour les étu­diants, les scien­ti­fiques, ou les entre­prises. Cela explique leur essor : en quinze années (de 1998 à 2012), seuls 136 ont été lan­cés ; au cours des sept der­nières années, ce chiffre a été mul­ti­plié par 10 (1338). Et les esti­ma­tions donnent à ce mar­ché un bel ave­nir : 630 devraient en moyenne être lan­cés chaque année dans un ave­nir proche¹. 

Nano­sa­tel­lites : les origines

Ini­tié comme exer­cice de desi­gn à l’Université de Stan­ford en 1999, le for­mat Cube­Sat est l’un des pré­cur­seurs des nano­sa­tel­lites. C’est le pre­mier stan­dard de pla­te­forme qui per­met la réuti­li­sa­tion de sys­tèmes entre dif­fé­rentes mis­sions. Il per­met ain­si à de nom­breuses socié­tés de pro­po­ser des élé­ments « sur éta­gère », sur le modèle du plug and play, per­met­tant le déve­lop­pe­ment rapide de nou­velles opé­ra­tions. Face à la pro­li­fé­ra­tion de ces satel­lites, les ser­vices de lan­ce­ment en ride share (per­met­tant aux entre­prises de par­ta­ger les lan­ceurs) se démo­cra­tisent, ain­si que les pro­jets de lan­ceurs : plus de 140 pro­jets de micro-lan­ceurs sont aujourd’hui en déve­lop­pe­ment pour répondre à cette demande crois­sante ; huit sont même déjà en opé­ra­tion².

Scien­ti­fiques et ingé­nieurs ont très vite inves­ti ces nou­velles pla­te­formes à prix réduit pour déve­lop­per des mis­sions de démons­tra­tion tech­no­lo­gique, comme la série GomX (ESA et Gom­Space), ain­si que des mis­sions scien­ti­fiques comme AMI­Cal Sat, UVS­Q­Sat et Eye­sat pour ne par­ler que des Cube­Sats fran­çais lan­cés il y a moins de deux ans. 

Leur petite taille n’interdit pas les mis­sions com­mer­ciales, et cela n’a pas échap­pé aux entre­prises fran­çaises qui ont envoyé en orbite des satel­lites comme ANGELS pour la loca­li­sa­tion de balises (Heme­ria, 2019), ou les satel­lites BRO pour l’écoute élec­tro­ma­gné­tique (Unseen­Labs, 2019 et 2020). 

Un outil péda­go­gique puissant

Leur coût réduit fait éga­le­ment des nano­sa­tel­lites un outil péda­go­gique de pre­mier choix, per­met­tant de répondre à un véri­table besoin de l’enseignement supé­rieur : l’expérience concrète par pro­jets étu­diants. En effet, et jusqu’ici, un ou une ingénieur(e) pou­vait quit­ter son école doté(e) d’un for­mi­dable bagage théo­rique, mais sans jamais être passé(e) à la pra­tique. Ce pro­blème est encore plus impor­tant dans le domaine spa­tial, puisque les ingé­nieurs, une fois en poste, peuvent pas­ser des années à conce­voir un sys­tème spa­tial sans jamais le voir réellement. 

Par­ti­ci­per à un pro­jet spa­tial pen­dant sa sco­la­ri­té consti­tue ain­si une riche expé­rience pour les étu­diants, et ce d’autant plus que les domaines sur les­quels ils tra­vaillent sont variés. Ils vont du desi­gn méca­nique à l’informatique embar­qué, en pas­sant par l’analyse ther­mique et la méca­nique céleste, sans oublier la ges­tion de pro­jet et le tra­vail en équipe. L’expérience est d’autant plus enri­chis­sante qu’un nano­sa­tel­lite reste un sys­tème com­plè­te­ment auto­nome, évo­luant dans un envi­ron­ne­ment dif­fi­cile, voire hos­tile, et qui est non-répa­rable : il n’y a pas de seconde chance. 

C’est pour ces rai­sons que l’École poly­tech­nique a choi­si d’encadrer des pro­jets étu­diants de Cube­Sats dès 2011, avec la mis­sion X‑CubeSat (membre de la mis­sion QB-50, lan­cé en avril 2017, fin de mis­sion en février 2019), à laquelle plus de 80 étu­diants de 7 pro­mo­tions dif­fé­rentes ont contri­bué. Après ce suc­cès opé­ra­tion­nel et aca­dé­mique, un second pro­jet, inti­tu­lé Ion­Sat³, a été ini­tié par le Centre spa­tial de l’École poly­tech­nique en 2017, en par­te­na­riat avec la star­tup ThrustMe. La mis­sion prin­ci­pale d’IonSat est le main­tien à poste en orbite très basse grâce à un pro­pul­seur élec­trique. Plus de 50 étu­diants ont déjà contri­bué au desi­gn pré­li­mi­naire de ce Cube­Sat de 6 uni­tés (soit un volume de 30x20x10 cm), mais ces pro­jets inté­ressent éga­le­ment les grands acteurs. Ain­si, Ion­Sat est réa­li­sé en par­te­na­riat avec Thales Ale­nia Space, mécène avec Aria­ne­Group du pro­gramme d’enseignement « Espace : science et défis du spa­tial » de l’École polytechnique.

Le nou­veau para­digme des constellations 

Les per­for­mances limi­tées de ces nano­sa­tel­lites sont com­pen­sées par leur uti­li­sa­tion en « constel­la­tions » (c’est-à-dire en réseaux ou en essaim) afin de pro­po­ser des ser­vices que les mis­sions usuelles ne peuvent pas atteindre. L’entreprise amé­ri­caine Pla­net a ain­si lan­cé entre 2013 et 2020 plus de 100 Cube­Sats de 3 uni­tés (30x10x10 cm) afin d’observer toute la sur­face du globe au moins une fois par jour. En 2020, 90 pro­jets de constel­la­tions étaient alors réper­to­riés⁴.

Mais toutes les fai­blesses des nano­sa­tel­lites ne peuvent pas être réso­lues par leur lan­ce­ment en grand nombre. Par exemple, il y a des enjeux d’équilibre entre la part du satel­lite consa­crée à la mis­sion (la « charge outil ») et les autres fonc­tion­na­li­tés, néces­saires à son main­tien en orbite, par exemple. En obser­va­tion, la réso­lu­tion est pro­por­tion­nelle à taille du cap­teur, et les nano­sa­tel­lites sont donc limi­tés à cet égard. Il y a éga­le­ment d’autres limites inhé­rentes au for­mat nano­sa­tel­lite, notam­ment en ce qui concerne les com­mu­ni­ca­tions, qui sont res­treintes par la faible agi­li­té et la puis­sance élec­trique de la plateforme. 

Pour faire face à ces défis, cer­taines socié­tés, comme l’entreprise tou­lou­saine Kineis, pro­duisent des satel­lites légè­re­ment plus grands, mais res­tant assez petits pour faire par­tie de la caté­go­rie des nano­sa­tel­lites. Mais d’autres, avec un plus grand mar­ché, pré­fèrent aug­men­ter les per­for­mances de leurs satel­lites en ne se limi­tant pas au for­mat nano, tout en choi­sis­sant tout de même de béné­fi­cier des avan­tages de la constel­la­tion. C’est pour­quoi les pro­jets de méga-constel­la­tions les plus ambi­tieux, comme One­Web et Star­link, misent sur des « Small­Sats » (de res­pec­ti­ve­ment 150kg et 230 kg). Avec un grand nombre de satel­lites peu oné­reux mais per­for­mants, ils pro­fitent du meilleur des deux mondes.

Un grand poten­tiel latent

Mais les nano­sa­tel­lites n’ont pas dit leur der­nier mot, et ne res­te­ront pas can­ton­nés aux seuls pro­jets bon mar­ché et péda­go­giques. En effet, le retour d’expérience de mis­sions pion­nières a prou­vé leur inté­rêt dans le cadre de mis­sions scien­ti­fiques⁵. En plus de l’observation de la Terre, déjà men­tion­née, ces Cube­Sats peuvent éga­le­ment ser­vir à la recherche en météo­ro­lo­gie solaire, grâce à des spec­tro­mètres de masse (SENSE en 2013) ou des détec­teurs à rayons X (Min­XSS en 2016) ; à l’astrophysique avec le téles­cope minia­ture ASTERIA (2017) ou la mis­sion Halo­Sat (2018) ; à l’exploration spa­tiale, avec les Cube­Sats Mar­CO (Mars Cube One) qui ont accom­pa­gné la sonde InSight jusqu’à Mars en 2018, ain­si qu’avec Lunar Fla­sh­light qui accom­pa­gne­ra la mis­sion Arte­mis I sur la Lune en 2021. L’utilisation des nano­sa­tel­lites n’est donc limi­tée que par notre imagination !