Sécurité orbitale : les défis de la survie des déchets spatiaux

Traîner en orbite terrestre, c’est comme marcher au milieu d’une fusillade dans le Far West – des balles volent partout, et même si aucune n’est délibérément dirigée contre vous, l’une d’entre elles pourrait avoir votre nom dessus. Beaucoup de ces balles sont des satellites artificiels qui sont activement contrôlés et surveillés, mais nous trouvons également des satellites morts, des restes de satellites, des étages de fusée mis au rebut, des outils perdus lors des sorties dans l’espace et même des taches de peinture et de rouille, la plupart se déplaçant à plusieurs kilomètres. par seconde sans aucune indication.

Bien que l’élimination directe de ces débris spatiaux soit idéale, la réalité est que tout vaisseau spatial et toute combinaison spatiale qui doit passer du temps en orbite doit être capable de supporter au moins quelques impacts de débris spatiaux qui l’impactent.

Mécanique Orbitale

Qu’il soit facile de créer de nouveaux débris ne devrait surprendre personne. Ce qui peut prendre un peu plus d’imagination, c’est le temps qu’il faudra pour que ces débris se dirigent vers l’atmosphère terrestre, où ils brûleront sans incident. Tout ce qui est en orbite tombe vers la terre, mais sa vitesse tangentielle l’empêche de frapper – comme une bille tournant autour du trou d’un entonnoir. La traînée de l’atmosphère de la planète est la friction qui finit par ralentir l’objet, et où il orbite dans l’atmosphère de la planète détermine combien de temps cette descente prendra.

Infographie du taux de décroissance orbitale.
Infographie du taux de décroissance orbitale. (Crédit : ULA)

Comme cité par l’Orbital Debris Program Office de la NASA à l’ARES dans leur FAQ, il y a plus de 23 000 objets de débris de plus de 10 cm en orbite, en plus de plus d’un demi-million d’objets entre 1 cm et 10 cm, et des millions d’objets entre 1 mm et 10 mm. Les principales sources de débris orbitaux sont les explosions et les collisions de satellites. Cela comprend le test anti-satellite (ASAT) de la Chine en 2007, ainsi que les tests ASAT de l’Inde en 2019 et de la Russie en 2021, qui se sont déroulés en plus des tests ASAT de l’URSS et des États-Unis 57 (total).

Les satellites explosent parfois, comme les explosions de satellites US DSMP de 2004 et 2015. D’autres fois, des satellites entrent en collision, comme Iridium-33 avec Cosmos-2251, sont touchés par des débris ou des micrométéorites, etc. Comme en orbite terrestre basse (LEO), les débris ont tendance à se déplacer à des vitesses supérieures à 7 km/s.

Selon la masse de l’objet débris, l’effet de son impact avec un satellite ou un autre objet sur son chemin, ajoutant probablement environ 7 km/s supplémentaires dans la direction opposée, pourrait être le transfert de gigajoules d’énergie cinétique, équivalent à tonnes de TNT. Même une tache de peinture se déplaçant à ces vitesses s’est avérée causer des dommages importants, en particulier aux structures fragiles telles que les panneaux solaires. Comme mentionné, cela rend essentiel que de telles structures puissent accepter un certain niveau de dommages d’impact.

Toujours les petits

Le Whipple Shield utilisé sur la sonde Stardust de la NASA.
Le Whipple Shield utilisé sur la sonde Stardust de la NASA. (Crédit : NASA)

Bien qu’ils transportent évidemment plus d’énergie, l’avantage des débris plus gros est qu’ils sont relativement faciles à suivre à l’aide d’équipements au sol. Un satellite ou une station spatiale peut utiliser des propulseurs embarqués s’il s’approche trop près de l’orbite de l’un de ces gros débris.

Cela laisse alors principalement les petits débris, en particulier les petits flocons et les grains qui sont trop petits pour être suivis, mais avec une masse suffisante pour causer des dommages importants. Pendant des décennies, la protection de prédilection pour les engins spatiaux est le bouclier Whipple. Tout comme le bouclier multichoc similaire, il s’agit d’un type d’armure espacée, qui est un type d’armure rendu populaire pour la première fois par les navires de guerre en fer du milieu du XIXe siècle.

Au lieu de simplement rendre l’armure plus épaisse, plusieurs couches sont utilisées, avec un espace vide ou une sorte de rembourrage entre elles. Cela permet d’économiser du poids, tout en permettant à un projectile entrant de dissiper son énergie de manière inoffensive. Ce même principe peut être vu avec par exemple les fenêtres sur l’ISS, qui se compose de plusieurs couches. Dans le cas de la coupole de l’ISS, il y a quatre couches :

  • Volet extérieur de débris.
  • Deux vitres pression 25 mm.
  • Volet anti-rayures intérieur.

La vitre extérieure est censée dissiper la majeure partie de l’énergie d’une frappe, la couche derrière elle attrapant le nuage de débris, qui devrait se déplacer à des vitesses suffisamment lentes pour ne pas causer de dommages importants. Chaque fenêtre peut être remplacée en orbite après la pose d’un couvercle externe, si elle subit des dommages si importants que le remplacement est justifié.

Dommages du MMOD sur le panneau solaire de l'ISS.
Dommages observés sur le panneau solaire 3A de l’ISS, panneau 58 (côté cellule à gauche, arrière Kapton à droite). Notez que la diode de dérivation est déconnectée en raison de l’impact du MMOD. (Crédit : Hyde et al., 2019)

Pour les sections restantes de l’ISS, des panneaux balistiques sont placés à une certaine distance de la coque principale, qui sont conçus pour capturer et dissiper l’énergie des micrométéorites et des petits débris orbitaux. Les dommages causés par les météorites et les débris orbitaux sur l’ISS sont étudiés depuis des décennies, avec un article de 2019 de Hyde et al. décrivant les découvertes récentes.

Une découverte intéressante est celle des dommages causés aux ailes du réseau solaire de l’ISS. Dans un cas, une micrométéorite a percuté l’un des panneaux et créé un trou de 7 mm de diamètre. Cela a détruit une diode de dérivation dans le panneau et provoqué une accumulation de courant qui a finalement entraîné une brûlure de près de 40 cm de long le long des bords de trois cellules.

De toute évidence, la protection des panneaux solaires dans cet environnement est tout sauf facile, car par définition, l’ajout de panneaux de protection devant eux va à l’encontre de l’objectif même d’avoir des panneaux solaires. L’ISS compte plus de 250 000 cellules, avec l’espoir que certaines d’entre elles seront inévitablement perdues avec le temps. En juin 2021, les astronautes de l’ISS ont installé de nouveaux panneaux solaires pour remplacer les plus anciens.

Si le remplacement de panneaux solaires comme celui-ci est une option viable pour faire face aux dommages accumulés sur une station spatiale, il est moins pratique pour les satellites, qui devraient ainsi disposer d’une capacité électrique excédentaire suffisante pour faire face à la perte au fil du temps.

L’attaque comme meilleure défense

Étant donné que les débris sur certaines orbites resteront suspendus pendant des décennies ou plus, nous pourrions éventuellement atteindre un point où l’élimination active de ces débris deviendra une nécessité. C’est là que la mécanique orbitale et l’incroyable quantité d’espace dans, eh bien, l’espace rendent les choses très délicates. Même si le risque de débris orbitaux est élevé, car les satellites et les débris se déplacent tous les deux assez rapidement, la densité est très faible. C’est pourquoi les astronautes à bord de l’ISS ne voient pas constamment des morceaux de débris.

Cette rareté fait de l’élimination active des débris une corvée et explique pourquoi les récentes missions très médiatisées telles que RemoveDEBRIS, ClearSpace-1 et d’autres se concentrent sur les gros débris qui se déplacent sur des orbites précédemment connues. Ils nécessitent souvent que les satellites se déplacent à une certaine distance de la cible et effectuent des opérations délicates. Comme établi précédemment, la plus grande menace vient des débris qui ne peuvent pas être facilement suivis, ce qui semblerait ainsi largement contrecarrer ces méthodes de nettoyage.

Ici, la meilleure méthode est peut-être de ne pas traquer activement ces objets, mais de les attraper passivement à l’aide d’un système expansif, un peu comme une araignée utilise une toile pour attraper des proies sans méfiance. C’est ce que la startup russe StartRocket a en tête avec son Foam Debris Catcher. L’utilisation de mousse pour capturer les débris orbitaux n’est pas nouvelle, avec un rapport de l’ESA de 2011 couvrant également l’utilisation de la mousse en profondeur.

Pas de déchets

Même avec des solutions d’atténuation en place et avec des méthodes d’élimination des débris orbitaux à l’étude et éventuellement déployées au cours des prochaines décennies, la meilleure chose que nous puissions faire maintenant est d’éviter de faire davantage de dégâts. De nos jours, la gestion du trafic spatial est principalement gérée par le Bureau des affaires spatiales des Nations Unies (UNOOSA), avec des politiques nationales conformes aux accords internationaux sur la prévention des débris orbitaux et d’autres considérations.

L’attention croissante portée à la réutilisation des engins spatiaux est une évolution heureuse. Le plus grand objectif du programme de la navette spatiale américaine – qu’il serve de plate-forme pour l’entretien des satellites – ne s’est jamais concrétisé au-delà de l’entretien de Hubble. Cependant, nous pouvons espérer voir bientôt la fin de la routine consistant à simplement laisser flotter des étages de fusée entiers, réduisant au moins une source de pollution spatiale.