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 !