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Les retombées de satellites

Réservoir de 250 Kg d'une fusée Delta 2 tombé à Georgetown, au Texas le 22 janvier 1997.

Des débris encombrants et dangereux (I)

Depuis 1957, l'environnement spatial proche de la Terre voit chaque année de nouveaux débris s'accumuler en raison de la prolifération des vols spatiaux. Au fil des années des dizaines de tonnes de matériels devenus inutiles ont été abandonnés sur orbite en attendant une lente dégradation, leur récupération ou leur chute dans l'atmosphère.

Selon un rapport du NORAD établi le 1/1/2004 et suite au recensement effectué par le Space Surveillance Network de l'US Space Command (USSPACECOM), depuis 1957, la Russie, les Etats-Unis, l'Europe, le Japon, la Chine, l'Inde et Israël ont procédé à près de 4000 lancements réussis d'engins spatiaux. Aujourd'hui, il y a 2062 satellites opérationnels et 2600 inactifs. Environ 60% des satellites sont utilisés pour les communications.

En 1996, J.W. Campbell du centre Marshall de la NASA estimait dans son projet ORION qu'il existait en orbite environ 100000 débris mesurant entre 1 et 10 cm. En 2005, on dénombrait environ 12600 débris de plus de 10 cm orbitant entre 400 et 1500 km d'altitude. Selon l'ESA, fin 2017 on avait recensé 19894 débris de satellites représentant au moins 8135 tonnes et fin 2019 on atteignait 22000 débris. 80000 objets ont une taille inférieure à 10 cm et gravitent en orbite basse. En revanche, il devrait y avoir des centaines de milliers de débris d'une taille inférieure au centimètre pour un total de quelque 35 millions de débris si on s'attarde aux particules de moins d'un millimètre.

Parmi ces débris spatiaux 41% sont constitués de fragments, 13% sont des débris opérationnels, 17% des étages supérieurs de lanceurs et 22% sont des satellites qui ne sont plus en état de fonctionner sans compter les éclats de peinture, les éjections de combustible, de liquide de refroidissement...

On dénombre enfin au moins 170000 débris de plus d’un kilo susceptibles de retomber sur Terre, dont 1.5 tonne de matière radioactive.

Mais en réalité, selon une étude présentée en septembre 2017 lors du 60e Congrès International sur l'Asutronautique (IAC) qui s'est tenu à Adelaïde en Australie et résumée dans un article publié dans le webzine "Physics World", des spécialistes parmi lesquels des représentants des sociétés SES et Inmarsat ont montré à travers une nouvelle analyse des risques que la probabilité de collision avec des débris de satellites géosynchrones (GEO) avait été largement sous-estimée jusqu'à présent. Les résultats de leur analyse ont montré que les risques de collision avec un GEO sont jusqu'à 4 ordres de grandeur supérieurs aux précédentes estimations et que les collisions se produisent à des vitesses qui peuvent atteindre 4 km/s, bien supérieures à celles précédemment estimées. Ainsi, les chercheurs prédisent que l'ensemble des satellites GEO opérationnels devrait subir un impact potentiellement fatal tous les quatre ans en moyenne ! On devrait également assister à la collision avec des objets de 20 cm de diamètre tous les 50 ans en moyenne.

A lire : Collision entre deux satellites artificiels (sur le blog, 2009)

A gauche, plus de 7000 débris sont représentés sur cette image. Ils se concentrent sur des orbites situés à 800 et 1500 km d'altitude. A centre, environ 8500 débris de plus de 10 cm sont dispersés autour de la Terre jusqu'à l'orbite géostationnaire. L'USSPACECOM suit en permanence l'évolution de chacun d'entre eux. A droite, l'inventaire de tous les impacts de plus de 2.54 cm (1") sur la navette spatiale Columbia entre 1983 et 2002. Documents NASA/JSC et NASA.

Non seulement la NASA et toutes les agences spatiales mais le Secrétariat américain de la Défense est préoccupé par ce problème et envisage sérieusement de suivre de plus près tous ces débris. Malheureusement la plupart des radars utilisés par l'USAF opèrent à une longueur d'onde de 70 cm et quelques et ne peuvent pas détecter des objets inférieurs à 10 cm de diamètre. De plus, selon Donald J. Kessler, expert en débris spatiaux auprès de la NASA, les données de chacun des objets catalogués n'est pas maintenue sur une base régulière ni avec suffisamment de précision pour pouvoir connaître leur position exacte et avertir le cas échéant les équipages en orbite. Ce problème est depuis connu sous le nom du "Syndrome Kessler".

Pour étudier réellement ce qui se passe en orbite et obtenir une image plus complète du temps que met un débris pour retomber sur terre, depuis 1985 les militaires américains font volontairement entrer en collision des satellites inactifs. Ainsi, en septembre 2001 le satellite P-78 pesant 850 kg fut intentionnellement frappé par un projectile de 16 kg. La collision donna naissance à 285 débris, tous catalogués et donc suivis par le NORAD.

Mais ces tests doivent être effectués loin des orbites des satellites opérationnels et de la station ISS au risque de gravement les endommager. En effet, si les modules vitaux de la station ISS sont blindés comme un char d'assaut, son revêtement ne pourrait pas résister à l'impact d'un objet de plus de 2 cm de diamètre propulsé en sens contraire à son vol. C'était déjà le cas des navettes spatiales.

A gauche, l'effet provoqué par une bille de 12 mm en aluminium pesant 1.7 g projetée à 6.8 km/s (24480 km/h) contre un bloc du même métal de 18 cm d'épaisseur. Edifiant ! La bille s'est volatilisée et forma un cratère d'impact de 9.0 cm de diamètre et de 5.3 cm profondeur qui provoqua un décollement de l'aluminium sur la surface opposée... A l'impact, la pression et la température dépassèrent celles qu'on rencontre au centre de la Terre, soit plus de 365 GPa et plus de 5700°C. Au centre, impact météoritique dans un hublot de la navette spatiale Challenger au cours de la mission STS-7 en 1983. A droite, un impact dans la protection du Télescope Spatial Hubble. Imaginez les conséquences que cela pourrait avoir si cela devait tomber sur un astronaute lors d'une sortie extravéhiculaire... Ce risque d'impact est un danger permanent qu'il faut considérer très sérieusement. Documents ESA et NASA.

A l'époque des navette spatiales, les hublots de certaines navettes ont dû être remplacés 80 fois en l'espace de 20 ans en raison des impacts (certaines navettes effectuant jusqu'à 7 missions par an) ! Atlantis fut déjà égratignée par ces débris, entaillant le revêtement de son bord d'aile sur 2.5 cm. Quand on sait que le bord d’attaque des ailes subit l’une des chaleurs les plus élevées lors de la rentrée atmosphérique, rappelez-vous l'accident de Columbia, il est judicieux de tirer la sonnette d’alarme. Même les revêtements métalliques et les panneaux solaires du Télescope Spatial Hubble ont été endommagés par des débris. La situation devint tellement critique qu'en 2005 la NASA a reposé la question du nettoyage de l'orbite terrestre car il était évident que la majorité des fragments ne retomberaient pas d'aussitôt sur Terre.

Le risque de collision

Pour lutter efficacement contre le risque potentiel de collision engendré par ces débris, les grandes agences ont pris ce problème à bras le corps depuis 1993 et ont créé un comité dénommé "Inter-Agency Space Debris Coordination Committee" (IADC) chargé de prendre des mesures concrètes en cas de besoin. Ouf !

Que coûte la "dépollution" des orbites ? Une première estimation faite en 1996 indique que le nettoyage des orbites jusqu'à 800 km d'altitude de tous les débris mesurant entre 1 et 10 cm coûterait environ 80 millions de dollars et nécessiterait 2 ans de travail. Un nettoyage jusqu'à 1500 km d'altitude prendrait 3 ans et coûterait environ... 160 millions de dollars ! (soit un peu moins de la moitié du prix d'une nouvelle navette spatiale).

Si les états acceptent d’y consacrer un peu d’argent plutôt que de prendre des risques bientôt inconsidérés, il est probable que d'ici quelques années les experts des Services du Département Environnement du Centre Goddard de la NASA devront envoyer un ferrailleur "dépolluer" l'espace qui, faut-il le rappeler, est une ressource pour toute l'humanité.

En 2019, un nouvel outil présenté ci-dessous fut proposé au public pour démontrer à quel point l'orbite terrestre est encombré de satellites opérationnels et de débris. Appelé "Conjunction Streaming Service Demo" (Démo du service de diffusion en continu de Conjonction), l'outil graphique développé par l'Université du Texas dans le cadre du projet ASTRIA illustre en temps réel le grand nombre d'objets spatiaux - sur un assortiment de 1500 objets en orbite basse (LEO) - qui se rapprochent dangereusement les uns des autres.

A consulter : Conjunction Streaming Service Demo

Le trafic spatial en temps réel

L'axe des abscisses indique le temps, l'axe des ordonnées indique la distance qui sépare deux objets en approche, allant de 5 à 0 km. Sur le graphique figurent une série d'arcs qui représentent la distance entre deux objets spatiaux. Chaque arc présente une couleur indiquant les types d'objets concernés. Les arcs verts indiquent deux satellites opérationnels susceptibles de se déplacer l'un par rapport à l'autre. Ceux-ci sont sous contrôle et en principe manoeuvrables. Les arcs jaunes indiquent un satellite mobile ou un objet non manoeuvrable. Les arcs rouges indiquent deux objets incontrôlables ou des débris qui évoluent sur une trajectoire susceptible de conduire à une collision. La plupart des arcs sont rouges...

Plus l'arc s'étend vers 0 km, plus les deux objets spatiaux se rapprochent l'un de l'autre avec un risque potentiel de nearmiss quand ils se frôlent d'un peu trop près voire de collision. Toutes les 10 minutes il y a au moins 2 objets dont la séparation descend sous 1 km. Ces objets ont une vitesse propre variant entre 1 et 16 km/s. Si vous suivez le graphique pendant quelques heures, vous avez toutes les chances d'observer un nearmiss à moins de 100 m de distance.

Le 2 septembre 2019, l'ESA effectua une manœuvre d'évitement de collision pour protéger son satellite Aeolus d'une collision avec le satellite StarLink 44 de la méga-constellation de SpaceX. Document ESA.

Soulignons que le graphique montre les prédictions basées sur les données maintenues par l'USAF mais les positions des objets peuvent être légèrement décalées. Il est également important de rappeler que même si ces objets se rapprochent les uns des autres, la plupart de ces satellites sont relativement petits et donc les collisions sont peu fréquentes. En effet, même si les objtes se rapprochent à moins de quelques centaines de mètres, leur taille réelle étant beaucoup plus petite, le risque de collision reste exceptionnel.

Pour éviter d'éventuelles collisions dans l'espace, l'USAF avertit les opérateurs de satellites si leur engin spatial risque de heurter quelque chose et émet des notifications lorsque les probabilités d'une collision sont élevées. Si cela est possible, les opérateurs éloigneront alors leur satellite pour éviter tout impact potentiel. C'est un processus qui est surveillé en permanence et généralement sans publicité.

Les collisions de satellites spatiaux - entre charges utiles et non avec des dzbris - sont extrêmement rares, la dernière remontant à 2009. Mais à mesure qu'on placera de nouveaux satellites en orbite, les experts estiment que ce type d'incident sera plus fréquent. En effet, le nombre de satellites placé en orbite basse devrait augmenter considérablement, en particulier suite aux projets de sociétés privées comme SpaceX (12000 satellites StarLink), OneWeb (600 satellites vers 2022) et Amazon (3236 satellites) qui s'engagent à placer sur l'orbite LEO des milliers de satellites pour assurer la couverture Internet de toute la planète.

Pour la première fois le 2 septembre 2019, le satellite StarLink 44 de SpaceX mis en orbite le 24 mai s'était trop rapproché du satellite Aeolus de l'ESA. Le risque de collision étant de 1 pour 1000 soit 10 fois au-dessus des critères de sécurité, les responsables de l'agence européenne ont déplacé leur satellite pour éviter une collision.

Enfin, un near miss s'est produit le 29 janvier 2020 à 23h39 UT entre deux satellites défunts : l'observatoire spatial IRAS lancé en 1983 pesant 1 tonne frôla le satellite GGSE-4 de l'USAF lancé en 1967 et pesant 85 kg entre 15 et 30 m de distance à la vitesse de 14.7 km/s (cf. cette vidéo sur YouTube).

Face à ce danger potentiel, une étude de la NASA a estimé que pratiquement tous les satellites des méga-constellations en orbite LEO devront être éloignés de tout danger tous les cinq ans, sans quoi le risque de collision augmenterait de manière exponentielle. Avec l'outil présenté ci-dessus, il est clair que dès aujourd'hui l'orbite basse est très encombrée, ce qui signifie qu'il est urgent de gérer tout le trafic spatial si nous voulons que l'espace reste propre et sans danger.

Deuxième partie

Pourquoi un satellite artificiel retombe-t-il sur Terre ?

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