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Se débarrasser de tous les déchets spatiaux dans l’arrière-cour de la Terre

L’espace, comme son nom l’indique, est pour la plupart vide. Cependant, depuis le lancement du premier satellite en 1957, l’humanité a commencé à peupler l’orbite terrestre de toutes sortes d’engins spatiaux. En revanche, l’espace est également devenu de plus en plus encombré de déchets provenant d’étages de fusées et de satellites disparus ou en panne. Se déplaçant à une vitesse de près de 30000 km / h, même le plus petit objet peut percer un trou dans votre vaisseau spatial. Par conséquent, les débris spatiaux constituent une menace réelle pour les vaisseaux spatiaux habités et non habités et c’est pourquoi les agences spatiales redoublent d’efforts pour les suivre, les éviter et les éliminer.

L’orbite de la Terre devient bondée

Une image générée par ordinateur des débris spatiaux autour de la Terre. Les deux principaux champs de débris sont l’anneau d’objets en orbite terrestre géosynchrone et le nuage d’objets en orbite terrestre basse.
Crédit: Image de la NASA, domaine public

Selon le Bureau du programme de débris orbitaux (ODPO) de la NASA, l’orbite terrestre héberge actuellement un nombre estimé de 500 000 objets de débris de la taille d’un marbre et un énorme 100 000 000 d’objets de 1 mm ou moins. Comme le montre l’image ici, il y a deux champs de débris principaux. Alors que la plupart des débris sont situés en orbite terrestre basse (LEO) à des altitudes <2000 km, il y a aussi un anneau de débris spatiaux en orbite géosynchrone (GEO) à une altitude d'environ 36 000 km.

Les déchets spatiaux comprennent des engins spatiaux abandonnés comme le satellite Vanguard I qui est en orbite depuis plus de 60 ans et détient ainsi le record du plus ancien objet artificiel dans l’espace. D’autres coupables sont les étages supérieurs des fusées qui se sont brisées ou ont explosé, c’est pourquoi de nos jours, elles sont généralement «passivées» en évacuant leur carburant non brûlé.

En 2007, la Chine a fait l’objet de nombreuses critiques pour avoir fait sauter son satellite météorologique Fengyun-1C dans le cadre d’un test de missile. Avec la collision accidentelle du satellite de communication américain Iridium-33 et du défunt satellite russe Kosmos 2251 en 2009, ces événements sont responsables d’une grande partie des gros débris actuellement situés en orbite.

Pour se protéger des micrométéorites et des débris orbitaux (MMOD), les vaisseaux spatiaux utilisent des boucliers dits Whipple constitués de plusieurs couches minces espacées. Lors de l’impact, la couche la plus externe brise le projectile, répartissant ainsi son énergie cinétique sur une grande surface lors de son passage. Pour éviter les collisions avec des objets plus grands connus, les engins spatiaux doivent parfois effectuer des manœuvres d’évitement.

Pour l’ISS, une telle manœuvre est ordonnée si la probabilité d’impact est supérieure à 1/10 000 ce qui se produit en moyenne une fois par an. En 2012, un nombre record de quatre de ces déplacements ont dû être effectués, ce qui est toujours coûteux en raison de la grande quantité de carburant à dépenser. Les navettes spatiales de la NASA ont souvent été percées par des MMOD, mais heureusement, toutes les collisions catastrophiques jusqu’à présent ont été limitées à des vaisseaux spatiaux sans pilote. Un exemple est celui du satellite français Cerise qui a été touché en 1996 par une partie d’un propulseur de fusée Ariane. Et nous avons déjà mentionné le crash d’Iridum-Kosmos.

Garder une trace de tous les déchets

Il est vital de cataloguer et de suivre tous les déchets qui flottent en orbite pour éviter de futurs accidents et pour éviter que de futurs accidents ne contribuent davantage au problème des déchets spatiaux. Le catalogue spatial le plus complet est détenu par le US Space Surveillance Network (SSN). Actuellement, ils gardent une trace de plus de 22 000 objets artificiels en orbite autour de la Terre et mesurant 10 centimètres ou plus.

En fonction de leur altitude, des objets de taille suffisante peuvent être détectés par des radars au sol et des télescopes optiques. Les télescopes optiques mesurent la lumière du soleil réfléchie par les débris, tandis que la distance peut être déterminée avec précision par télémétrie laser. La méthode est basée sur la mesure du temps d’aller-retour d’une courte impulsion laser tirée du sol et réfléchie par l’objet. Cette technique est utilisée depuis longtemps pour suivre les satellites équipés d’un rétroréflecteur. Étant donné que la réflexion diffuse des débris spatiaux est beaucoup plus faible, la mesure est nettement plus difficile. Jusqu’à présent, la technique ne pouvait être utilisée que pendant le crépuscule lorsque la station de télémétrie laser sur Terre est dans l’obscurité mais que les débris sont toujours éclairés par le Soleil. Grâce à des techniques d’imagerie améliorées, des scientifiques autrichiens ont récemment réussi à utiliser un laser à débris spatiaux pendant la journée, doublant la fenêtre de visualisation.

Un panneau du vaisseau spatial LDEF (Long Duration Exposure Facility) montrant de nombreux trous provenant de débris orbitaux.
Crédit: NASA JSC

Le LDEF (Long Duration Exposure Facility) de la NASA nous a beaucoup appris sur les débris spatiaux. C’était essentiellement une cible qui a été laissée dans l’espace pendant environ six ans avant d’être récupérée par la navette spatiale Columbia en 1990. Le LDEF a accueilli 57 expériences scientifiques individuelles conçues pour étudier les effets à long terme de l’environnement spatial sur différents matériaux, l’électronique et des échantillons biologiques. En raison de sa grande surface et de sa longue exposition, de nombreuses informations statistiques ont été obtenues en étudiant le motif du fromage suisse qui s’était formé à sa surface, comme le montre l’image.

Nettoyer l’orbite

Depuis 2002, toutes les grandes agences spatiales suivent certaines directives communes pour réduire la croissance des débris spatiaux. Les engins spatiaux dans GEO doivent se déplacer vers une orbite de cimetière à une altitude plus élevée après avoir terminé leur mission. Les objets traversant la région LEO doivent être désorbités ou au moins placés sur une orbite avec une durée de vie réduite.

En raison de la traînée atmosphérique, tous les débris orbitaux finalement retomber sur Terre. Cependant, à des altitudes de 800 km, cela peut prendre des décennies, tandis qu’au-dessus de 1000 km, les débris orbitaux continueront normalement à faire le tour de la Terre pendant un siècle ou plus. Nous ajoutons des déchets spatiaux plus rapidement qu’il ne pleut. Par conséquent, à long terme, nous devons non seulement arrêter la pollution continue de l’espace, mais aussi nous débarrasser activement d’une partie des déchets spatiaux déjà en orbite. Sinon, la densité des débris peut devenir suffisamment importante pour créer un effet de cascade où les fragments créés lors d’une collision déclenchent de nouvelles collisions. Ce scénario est connu sous le nom de syndrome de Kessler et bien expliqué par Donald Kessler lui-même dans cette vidéo.

Lasers spatiaux

Concept pour la désorbitation des débris spatiaux à l’aide d’un laser haute puissance.
Crédit: CR Phipps et al.

Les plans pour l’élimination active des débris spatiaux incluent la mission ClearSpace-1 de la start-up suisse ClearSpace, qui a été financée par l’ESA et devrait être lancée en 2025. ClearSpace-1 utilisera des bras robotiques pour capturer une partie d’un Vespa (Vega Secondary Payload Adapter ) étage supérieur laissé en orbite lors d’une précédente mission de l’ESA. Les deux engins spatiaux seront ensuite désorbités pour brûler dans l’atmosphère. Finalement, l’objectif est d’avoir une «dépanneuse» dans l’espace qui peut capturer et supprimer plusieurs objets en une seule mission.

Les mêmes lasers qui sont utilisés pour suivre les déchets spatiaux peuvent également être utilisés pour les supprimer. Il existe plusieurs concepts d’utilisation de systèmes laser à haute puissance basés au sol ou dans l’espace pour éliminer les débris de 1 à 10 cm de l’espace LEO. Le laser évapore la matière de l’objet qui forme un jet qui ralentit la cible afin qu’elle réintègre l’atmosphère plus rapidement.

Après avoir déjà pollué la Terre à un degré dévastateur, ce serait bien de ne pas voir la même chose se produire dans l’espace. Il serait dommage que les progrès scientifiques et les technologies de communication rendus possibles par les missions spatiales soient stoppés par le syndrome de Kessler. Avec les futures nouvelles méga-constellations de satellites comme le projet Starlink, ce risque est assez imminent.

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