La pollution spatiale

La pollution spatiale

            Spoutnik 1, le premier satellite artificiel en orbite, une sphère de 58 centimètres de diamètre et de près de 84 kilos, fut le tout premier déchet spatial ! Sa batterie a lâché au bout d’une vingtaine de jours, et il est devenu inopérant, avant de se détruire intégralement en rentrant dans l’atmosphère terrestre, le 04 janvier 1958. Pendant deux mois et demi, soit la majeure partie de son existence, il n’a servi à rien. L’histoire de Spoutnik 1 montre que le problème des déchets spatiaux date des origines mêmes de l’exploration de l’espace.

Nous étions alors en pleine guerre froide, et la compétition spatiale battait son plein. Une vision de court terme dominait. L’Union soviétique préférait, par exemple, détruire ses satellites, ce qui génère énormément de débris, plutôt que de les voir tomber entre des mains ennemies. Des pays comme la Russie, la Chine ou l’Inde détruisent encore leurs satellites défectueux avec des tirs de missile. Les États-Unis ont, en revanche, annoncé qu’ils avaient cessé cette pratique en avril 2022.

.           Cette image montre la terre prise dans une nuée si dense que notre planète semble presque disparaitre. Chacun de ces points représente un objet de plus de 10 cm. L'image est spectaculaire, presque choquante. Un peu trompeuse aussi. Si elle permet de sensibiliser à la problématique grandissante de l’encombrement spatial, elle montre paradoxalement beaucoup moins d'objets qu'il n'en existe, tout en donnant l'illusion d'une omniprésence bien supérieure à la réalité (chaque point occupe, à l'échelle, une dizaine de kilomètres). Pour autant, un vaisseau spatial traverserait aisément ce nuage sans en toucher un seul. L'espace est en fait beaucoup (beaucoup) plus grand et bien plus vide qu'on ne peut l'imaginer.

            Selon l’Agence spatiale européenne (ESA), les déchets sont plus de 150 millions de plus d'un millimètre dont environ 1 million de plus d'un centimètre ; mais seule une infime partie d’entre eux, environ 36.000, supérieurs à cette taille, est régulièrement suivie et surveillée. Parmi ceux-ci, 10.590 satellites dont 8.100 satellites actifs (depuis 1957 et Spoutnik-1, près de 16.000 ont été lancés à ce jour). On a enregistré 640 cas de ruptures, d’explosions, de collisions ou d’événements anormaux ayant entraîné une fragmentation. Actuellement, l’un des plus gros déchets spatiaux est le satellite d’observation de la Terre Envisat de 8 tonnes, mis en orbite en 2002 par l’ESA. Dix ans plus tard, l’agence a perdu tout contact avec lui, du jour au lendemain. On ne sait pas véritablement ce qui s’est passé. L’hypothèse la plus fiable est que le satellite ait lui-même subi une collision avec un déchet spatial.

Les débris orbitaux sont suivis par les capteurs du réseau mondial de surveillance de l'espace (SSN) du ministère américain de la défense. Mais les trop petits pour être repérés, sont suffisamment gros pour menacer les vols spatiaux habités et les missions robotiques : les débris et les engins spatiaux se déplacent à des vitesses extrêmement élevées (plus de 25.000 km/h en orbite terrestre basse), l'impact d'un débris orbital, même minuscule, sur un engin spatial pourrait poser de gros problèmes. Même de minuscules éclats de peinture peuvent endommager un vaisseau spatial lorsqu'il se déplace à cette vitesse. Leur vitesse varie entre 7 et 8 kilomètres par seconde ; en matière d’énergie cinétique, un débris d’un millimètre de rayon devient l’équivalent d’une boule de bowling lancée à 100 kilomètres par heure ; un débris d’un centimètre de rayon, celui d’une grosse voiture fonçant à 130 kilomètres par heure. Le risque principal est donc celui d’une collision entre un débris et un satellite opérationnel qui ne pourrait pas manœuvrer suffisamment pour l’éviter.

Un certain nombre de fenêtres de la navette spatiale ont été remplacées en raison de dommages causés par des matériaux qui ont été analysés et se sont avérés être des éclats de peinture. En fait, les débris orbitaux de taille millimétrique représentent le plus grand risque de fin de mission pour la plupart des engins spatiaux robotisés opérant en orbite terrestre basse.

            Il ne s'agit donc pas « simplement de faire le constat, un peu triste et tout à fait exact, des déchets accumulés en orbite sans réfléchir depuis soixante ans, mais de voir l'impact que cela a concrètement sur l'exploitation de l'espace. Les débris spatiaux ont aussi parfois des conséquences sur Terre. En 2020, les restes d’une fusée chinoise se sont écrasés sur un village de Côte d’Ivoire, sans faire de blessés. Heureusement, c’est un cas de figure extrêmement rare. La plupart du temps, ces déchets, soit environ 90 tonnes chaque année, tombent dans les océans, qui recouvrent 70 % de la surface de notre planète. Nous sommes d’autant plus protégés que notre atmosphère agit comme un bouclier : chaque objet artificiel qui y entre subit une onde de choc qui le détruit partiellement, voire totalement, sous l’effet d’une chaleur intense.

L’orbite basse terrestre, située entre 120 et 2.000 kilomètres d’altitude, est de loin la plus encombrée : on y trouve principalement des satellites météorologiques et des satellites d’observation de la Terre, qui effectuent un tour complet de notre planète environ quatorze fois chaque jour. Et c’est là que les risques de collision sont les plus importants. Ecartons la problématique assez spécifique des orbites lointaines, de 20.000 km à 36.000 km, où se trouvent notamment les satellites GPS et équivalents et les plus gros engins de télécommunication.   Des règles ont été fixées il y a vingt-cinq ans pour envoyer les satellites en fin de vie sur des orbites cimetières. La question qui se pose alors est plutôt l'intérêt économique d'aller ravitailler ou réparer un satellite plutôt que de le mettre au garage.

Syndrome de Kessler

            La question la plus brûlante est celle des orbites basses. Entre 700 km et 1.100 km d'altitude, la zone est devenue quasiment impraticable. Par négligence, dans cette région précise, il y a   désormais 100 à 1.000 fois plus de débris que de satellites actifs. Sur sa durée de vie, un engin a 8 %   de chances d'y être détruit par un débris, ce qui constitue un risque inacceptable pour à peu près n'importe quel opérateur.

Et la situation ne semble pas près de s'améliorer. Le syndrome de Kessler, théorisé en 1978 par l’astrophysicien américain Donald J. Kessler, qui prédit une inflation exponentielle du nombre de débris à cause des collisions en chaine de plus en plus nombreuses, est dores et déjà une réalité dans cette région. À 850 km, un risque particulier est présent : 20 débris de l’étage supérieur de l'ancienne fusée russe Zenit 2 dérivent dans un dangereux ballet. Chacun mesure plus de 9 mètres et pèse plus de 9 tonnes. Quand deux d'entre eux entreront en collision -ce qui se produira fatalement un jour ou l’autre s'ils restent là- cela doublera instantanément le nombre actuel de débris de plus de 10 cm. À titre de comparaison, la collision accidentelle la plus emblématique s'est produite en 2009 entre le satellite Iridium 33 de Thalès et un satellite de communication militaire russe hors-service, Kosmos 2251 : ils pesaient respectivement 560 kg et 900 kg et ont généré plus de 2.200 nouveaux débris.

            Dans le cas de la station spatiale internationale (ISS), lorsque les prévisions indiquent qu'un objet suivi passera suffisamment près pour susciter des inquiétudes et que la qualité des données de suivi est jugée suffisamment précise, les centres de contrôle de mission de Houston et de Moscou collaborent pour élaborer un plan d'action. Si la probabilité de collision est supérieure à 1 sur 100.000, une "manœuvre d'évitement des débris" sera effectuée si elle n'a pas d'impact significatif sur les objectifs de la mission. Si elle est supérieure à 1 sur 10.000, une manœuvre sera effectuée à moins qu'elle n'entraîne un risque supplémentaire pour l'équipage. Les manœuvres d'évitement des débris sont généralement de faible ampleur et ont lieu entre une et plusieurs heures avant le moment de la conjonction. La planification et l'exécution de telles manœuvres avec la station spatiale nécessitent environ 5 heures et font appel aux propulseurs russes de la station ou aux systèmes de propulsion de l'un des vaisseaux spatiaux amarrés. La station spatiale internationale a effectué 29 manœuvres d'évitement des débris depuis 1999, dont trois en 2020.

            Deux options pour continuer d'exploiter les orbites basses : aller plus haut ou rester plus bas. C'est la première option qui a été choisie par la méga constellation OneWeb (environ 600 satellites). Cela pose néanmoins un problème immédiat : à 1.200 km, un objet met 2.000 ans avant de retomber sur Terre.  Autant dire qu'il faut prévoir une solution de fin de vie.

Théoriquement, les opérateurs doivent faire en sorte que leur engin soit désorbité au bout de 25 ans. Mais cette norme n'est pas contraignante (sauf en France, pionnière sur cette question) et ne tient pas compte des risques de panne. C'est d'ailleurs dans cette optique que fleurissent les start-up et projets destinés au nettoyage de l'espace. L'Agence spatiale européenne (ESA) a chargé l’entreprise suisse ClearSpace de la première démonstration grandeur nature, prévue en 2026. Un petit morceau d'une centaine de kilos d'un étage supérieur de fusée Vega doit être attrapé par un satellite équipé de 4 bras articulés. Un peu comme un grappin de fête foraine, il devra capturer sa cible avant de la ramener dans l'atmosphère. ClearSpace a fait le choix de s’atteler au désorbïtage de gros objets non coopératifs car les premiers clients du marché seront probablement pour enlever ces gros objets en fin de vie ou en panne, qui présentent le plus de risques de créer des nuages de débris. Les satellites Oneweb sont clairement dans cette cible.

La désorbitation

            Pour continuer à exploiter l'orbite basse, la seconde possibilité est de descendre à des altitudes inférieures, en dessous de 600 km. Auquel cas, la désorbitation naturelle sous l'effet des frottements de l'atmosphère résiduelle, est de l'ordre de 25 ans. Désorbiter les satellites en fin de vie est une opération, complexe et coûteuse, qui nécessite de réserver une partie de l’énergie du satellite pour le propulser dans l’atmosphère terrestre afin qu’il se désintègre grâce aux frottements de l’air. C'est la stratégie choisie par SpaceX, qui a déjà déployé plus de 4.600 satellites Starlink vers 500 km. Dans cette zone, ce n’est plus tant la question des débris que celle de l'encombrement qui devient cruciale. De nombreux satellites lancés dans les premières années de l’ère spatiale n’ont malheureusement pas été désorbités et constituent aujourd’hui des « épées de Damoclès » en orbite, augmentant le risque de collisions et constituant une réserve de petits débris non traçables en cas de fragmentation. Selon les projections il y aura entre 30.000 et 100.000 satellites actifs dans cette région d’ici à la fin de la décennie. Cela ne pose pas vraiment de risque de collision, car tous sont dotés de capacités de manœuvres et d'évitement. En revanche, les règles ne sont pas clairement établies et les situations de tension vont se multiplier de manière exponentielle. Dans ce contexte, il est urgent que les agences spatiales, les opérateurs et les États définissent un cadre réglementaire strict.

Autre nécessité, celle de connaitre le plus précisément possible les menaces qui pèsent sur tous ces satellites. Cela passe par la cartographie la plus minutieuses des débris les plus petits possibles. Lancé à 28.000 km/h, un boulon de quelques millimètres seulement peut vite se révéler fatal. Actuellement, la base de données la plus complète est fournie par tes militaires américains. Mais elle ne recense que les objets de plus de 10 cm, sans garantie de mise à jour ni marges d'incertitude. Une grande partie des manœuvres qui sont réalisées aujourd'hui pourraient être évitées si on connaissait plus précisément les trajectoires des objets. C'est cependant ce domaine de surveillance de l'espace qui est actuellement le plus mûr technologiquement.

La capture de débris

            Des start-up et des entreprises, notamment en France, travaillent sur les briques technologiques permettant de se rapprocher de ces débris, de synchroniser leur trajectoire avec celle du véhicule venant les ramasser, de les attraper et enfin de les désorbiter. L’opération est complexe et coûteuse. Il existe aujourd’hui quelques projets d’active debris removal (ADR) en cours. On peut citer le projet ClearSpace-1 de l’Agence spatiale européenne (ESA) qui a pour ambition de désorbiter en 2026 un morceau d’étage de 112 kg du lanceur Vega. L’entreprise japonaise Astroscale développe aussi des activités d’ADR depuis 2013, avec un certain nombre de démonstrations en orbite déjà réalisées. Sa mission ADRAS-J, lancée le 18 février 2024, vise à se rapprocher d’un troisième étage de lanceurs japonais H-2A mis en orbite en 2009, et de se synchroniser avec cet étage pour valider la phase de rapprochement final.

Il y a aussi l’idée d’un service de dépannage, de remorquage et de réparation de satellites en orbite, et capable de capturer les débris spatiaux. Ce système s’articulerait autour d’engins spatiaux multifonctions. En plus de réparer les satellites en panne, ces engins captureraient des débris à la fin de leurs missions de réparation, les ramenant dans l’atmosphère terrestre pour les désintégrer.

Des amendes !

            Grande première : le 02 octobre 2023, la Commission américaine des communications (FCC) a d’infligé une amende à une entreprise du secteur spatial ayant abandonné l’épave d’un satellite sur une orbite jugée dangereuse. Dish Network a écopé d’une peine financière de 150.000 dollars. L’objet du délit est EchoStar-7, un satellite de télédiffusion haute résolution placé en orbite géostationnaire en 2002.

Or, dix ans plus tard, alors que la firme s’était engagée à envoyer l’objet 300 kilomètres plus haut, vers ce qu’on appelle « l’orbite cimetière », où le risque de collisions avec des engins spatiaux est moins élevé, Dish Network ne l’a propulsé qu’à 122 kilomètres, faute d’assez de carburant. Et ce manquement n’a pas manqué à la FCC.

Et la perturbation du champ magnétique terrestre …

            La mise en orbite constante de nouveaux satellites pour disposer d'internet partout sur Terre pourrait perturber la magnétosphère de notre planète. La magnétosphère est une région englobant tout objet céleste au sein de laquelle les phénomènes sont régis par le champ magnétique de cet objet. Dans le cas de notre planète, cette région s'étend de 800 à 1.000 kilomètres d’altitude. C'est en quelque sorte une bulle qui isole la planète des phénomènes néfastes de l'univers. Ainsi, c'est la magnétosphère qui dérive les vents solaires ou les rayons cosmiques présents dans l'espace.

            Mais cette protection serait mise en danger par les déchets spatiaux générés par les satellites. Les spécialistes observent déjà ce danger avec une dizaine de milliers de satellites actifs autour de la Terre ; ils sont en mesure de montrer une signature électrostatique apparente d'origine humaine dans le sillage d'un vaisseau spatial, créant des interférences avec le champ électrique de la Terre. Ils s’inquiètent donc pour les prochaines années qui promettent déjà de dépasser le million d'engins en orbite.

            Principale cause : les méga constellations. Ainsi l’ensemble d'unités Starlink en orbite basse promet de donner accès à internet à tout le monde, n'importe où sur Terre, en se connectant directement à ses satellites à l'aide d'un récepteur. Une solution qui fait des envieux et génère de nombreux projets similaires.

Seul problème : leur durée de vie n'est pas infinie. Ces satellites doivent donc continuellement être remplacés à intervalles réguliers. Sauf qu'une fois qu'un exemplaire est hors service, il est dévié de sa trajectoire pour retomber sur Terre. Et dans sa chute, il se désintègre grâce à la chaleur provoquée par les frottements dans l'atmosphère. Contrairement aux météorites, qui sont petites et ne contiennent que des traces d'aluminium, ces épaves d'engins spatiaux sont grosses et entièrement constituées d'aluminium et de matériaux exotiques hautement conducteurs. Or, les matériaux hautement conducteurs peuvent créer des effets de charge et agir comme un bouclier magnétique.

            L'accumulation de ce type de déchets dans l'atmosphère pourrait capter ou dévier le champ magnétique de la Terre.

Sources : NASA et Le Figaro - Tristan Vey – 20 jun 2023 / Géo - Guillaume Pajot – 17 déc 2023 _ Pierre Monnier - 22 avr 2024.