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Les Débris Spatiaux

La Grande Menace

TOUT COMPRENDRE N°96 > Juillet-Août > 2018

Les plus Grandes Menaces de la Terre

COMMENT ÇA MARCHE N°69 > Mars > 2016

Pourquoi les Déchets Spatiaux sont Devenus un Problème

Exploitée depuis 50 ans, l'orbite terrestre est encombrée de millions de débris, qui risquent à tout moment de percuter les satellites en activité ! Faire le ménage dans l'espace est désormais une priorité. Plus facile à dire qu'à faire...

Jusqu'au 4 octobre 1957, date de lancement de Spoutnik, l'orbite terrestre était immaculée. Un demi-siècle plus tard, l'aventure spatiale en a fait un lieu sale, embouteillé et, surtout, dangereux : satellites hors-service, étages de fusées prompts à exploser et débris de toutes sortes fusent autour de notre planète, comme autant de projectiles menaçant les 800 satellites en activité.

UN DANGER PERMANENT : Un phénomène qui ne cesse d'empirer, au point qu'un rapport de l'Académie des sciences américaine vient de signaler que cette pollution avait franchi un "seuil critique". L'heure est venue de plancher sur une solution, sous peine de voir l'orbite terrestre devenir inexploitable. "Il y a déjà un vrai problème, notamment sur les orbites basses (moins de 2000 km d'altitude)", détaille Donald Kessler, retraité de la Nasa et coauteur du rapport. De fait, dans cette zone évoluent une myriade de satellites d'observation, de renseignement et de télécommunication, ainsi que la Station spatiale internationale (ISS). Or, il n'est pas rare que les opérateurs soient contraints de dévier ces engins de leur orbite pour leur faire éviter un gros débris. C'est encore plus inquiétant dans le cas de l'ISS : le 28 juin dernier, face à l'arrivée inattendue d'un déchet non identifié, son équipage a dû se précipiter dans les capsules Soyouz, prêtes à quitter la station en cas d'impact !

REPÈRES : Le 4 Octobre 1957 signe le lancement du premier satellite mis en orbite, le russe Spoutnik. En 1979, la Nasa inaugure un service chargé de la question des débris spatiaux. Le 70 février 2009, au-dessus de la Sibérie, a lieu la première collision entre deux satellites. Le 1er septembre 2011, un rapport scientifique alerte sur le niveau de pollution orbitale.

Les quelques bonnes résolutions prises depuis vingt ans par les agences spatiales, comme faciliter le retour dans l'atmosphère des étages supérieurs des fusées, n'ont fait que limiter les dégâts. Faudrait-il imposer une pause dans les lancements ? Hélas, il est déjà trop tard : comme l'a illustré le choc entre deux satellites en février 2009, "la densité de débris est telle qu'ils entrent en collision et génèrent de nouveaux débris ; à l'image d'une réaction en chaîne nucléaire - mais en beaucoup plus lent", explique Donald Kessler.
Il n'y a donc pas d'autre choix que de faire le ménage en orbite ! Pour ce faire, les ingénieurs ne manquent pas d'imagination : filets de pêche galactiques, lassos, aimants, lasers... "Mais tous ces projets sont extrêmement difficiles à réaliser sur le plan technique, analyse Fernand Alby, de l'Agence spatiale française. De plus, on ne sait pas qui va payer. Et puis, sur le plan diplomatique, il est interdit de toucher à un objet spatial appartenant un pays étranger." Autant d'obstacles qu'il faudra très vite lever si l'on veut pouvoir continuer d'envoyer des engins dans l'espace.

V.N. - SCIENCE & VIE > Novembre > 2011

Les Débris Spatiaux

Depuis quelques années, il devient de plus en plus hasardeux de se déplacer dans le ciel. Parcouru par des millions de déchets qui filent à près de 30.000 km/h, l'espace est devenu en effet une zone dangereuse.

Depuis 1957, année où Spoutnik, lancé parles Soviétiques, a fait entendre son légendaire « Bip ! Bip! », plus de 6000 autres satellites ont été mis sur orbite, dont 400 à 500 sont actuellement opérationnels. Sur les orbites les plus basses, ceux qui sont hors-service ont souvent fini brûlés dans l'atmosphère, mais il en reste assez pour faire rêver un ferrailleur. Il faut y ajouter les lanceurs, dernier étage d'une fusée, condamnés à tourner sans objet autour de la Terre. Quelques-uns, qui n'avaient pas épuisé leur réserve en carburant, ont fini par exploser, produisant à chaque fois une couronne de débris minuscules de plusieurs centaines de kilomètres d'épaisseur. C'est ce qui est arrivé au dernier étage d'une fusée Ariane en 1986. Le 24 juillet 1996, les plus grands débris tournaient toujours et l'un d'eux venait couper net le mat du satellite militaire français Cerise.

Cette antenne, devenue à son tour épave, est aujourd'hui répertoriée parmi les 10.000 objets de plus de 10 cm qui encombrent notre espace. On en compte 200.000 autres de 1 à 10 cm et 35 millions de 0,1 à 1 cm. Satellites et lanceurs, entiers ou en fragments, cordons détonnant, batteries, paillettes de fibres de carbone, éclats de peinture, aiguilles métalliques... il y a même un tournevis et un gant dont on a plus de signe depuis longtemps. L'ensemble représente un danger réel pour les astronautes et le bon fonctionnement des coûteux satellites.
30.000 km/h, les débris de 1 mm ont le même effet qu'une boule de pétanque lancée à 100 km/h. Ils ont déjà laissé des cicatrices sur bon nombre de navettes américaines. À partir de 1 cm, l'impact sur un engin habité serait catastrophique. Les objets les plus importants sont heureusement surveillés depuis la Terre et, à plusieurs reprises, des navettes ont dû effectuer des manœuvres d'évitement. Le problème est encore plus crucial pour la station spatiale internationale (ISS), aujourd'hui dotée de boucliers de protection contre les (petits) débris.

Dans moins de vingt ans, au rythme actuel des lancements, l'espace risque de ressembler à un billard diabolique. Les collisions débris-débris ou débris-satellites vont se multiplier, gênerant de nouveaux débris, et ainsi de suite... Bien plus qu'il ne s'en élimine naturellement en brûlant dans l'atmosphère ou en retombant sur la Terre.
Il devient donc urgent de dépolluer notre ciel ou, faute de mieux, de limiter les dégâts en adoptant des règles contraignantes, applicables par toutes les puissances spatiales. On s'en préoccupe depuis quelques années. Les 27 et 28 novembre derniers, un colloque a notamment rassemblé, à Toulouse, les spécialistes européens de l'Agence spatiale européenne (ESA), du Centre national d'études spatiales (CNES) et de l'Académie nationale de l'air et de l'espace (ANAE). Mais ça risque d'être aussi difficile à concrétiser que l'élimination des pétroliers dangereux.

Plus l'altitude est élevée, plus la pollution est durable. À 300 km, les débris ne tiennent guère plus d'un an avant de brûler dans l'atmosphère. Mais ils tournent au moins un siècle à 800 km, 1000 ans à 1500 km, et des millions d'années sur une orbite géostationnaire à 36.000 km.

José Benjamin > 2002

Les Débris Spatiaux 2

Malgré l'immensité de l'espace circumterrestre, des millions de déchets gravitent au-dessus de nos têtes. Ils encombrent l'espace depuis 1957 avec le lancement de Spoutnik. Aujourd'hui, les débris sont un problème grave pour l'orbite géostationnaire. Le NORAD (->) et le CNES surveillent les déchets. Un hublot de la Navette en fut victime.

Ils représentent un danger potentiel qu'il va être très difficile de combattre. La figure ci-dessous représente le résultat d'une simulation par ordinateur, des débris tournant autour de la Terre et recensés par le NORAD (North American Air Defence Command). On remarquera 2 orbites caractéristiques : orbite géostationnaire et l'orbite polaire entre 200 et 2000 km. Les risques y sont maximum. Sur les 17 000 objets répertoriés depuis le début de l'ère spatiale, 5500 proviennent de satellites désintégrés. La désintégration des satellites en fin de vie fut une des principales causes de l'accroissement des débris dans l'espace. De 1981 à 1985, 32 satellites furent désintégrés, dont 17 volontairement.

LEO (low Earth orbit) signifie basse orbite terrestre, est la région de l'espace inférieure à 2000 km de la surface de la Terre. C'est la région la plus concentré en débris orbitaux. GEO sont des images générées à partir d'un point de vue oblique éloignés, on a une bonne vue de la population des objets de la région géosynchrone (environ 35785 km d'altitude). Remarquez la plus grande population d'objets sur l'hémisphère nord est due essentiellement à des objets russes à haute inclinaison et excentricité des orbites. GEO Polar sont des images générées à partir d'un point de vue au-dessus du pôle nord, en montrant les concentrations des objets en orbite basse (LEO) et géostationnaires dans la région.
NASA Orbital Debris Program (LEO, GEO, GEO Polar) - http://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/photogallery/beehives.html#leo

Depuis le lancement par l'URSS de Spoutnik 1, le 4 octobre 1957, la banlieue de la Terre s'est remplie en 40 ans, de déchets spatiaux, constitués des débris des fusées ou autres satellites qui ont pris la route de l'espace depuis cette date. On y trouve aussi bien des satellites entiers que des fragments issus d'explosions volontaires ou accidentelles. Les explosions accidentelles sont causées par une défaillance, mais aussi par le restant des ergols résiduels, se trouvant dans les réservoirs des étages supérieurs. Soumis à des contraintes thermiques importantes (la mise en rotation sur eux-mêmes provoquant l'alternance jour/nuit), ils explosent. Les 7 désintégrations des seconds étages des lanceurs US, Delta, sont responsables d'un tiers des débris des satellites désintégrés. Elles sont dues à des erreurs de conception des réservoirs de combustibles, dans lesquels le restant de carburant formait un mélange explosif.
Ainsi ces débris vont des écailles de peintures jusqu'aux vieux satellites ou derniers étages de lanceurs, en passant par des morceaux de toutes tailles, qui sont des cordons détonants, des boulons explosifs, des batteries, des mécanismes de séparations, etc... Il y a même un tournevis égaré par un astronaute, lors d'une sortie dans l'espace. Et il y a sûrement des débris divers (plus de 750 répertoriés), occasionnés par des essais d'armes anti-satellites (Asat). Puis chaque débris en occasionne d'autres, lors de percussions entre eux. Il y a un accroissement de 100. Pour 1 g de débris, un impact en produit 100 g. La population des débris s'auto-alimente. Il se créerait ainsi plus de débris qu'il ne s'en éliminerait naturellement, par perte d'altitude. Un autre exemple est celui du ballon Pageos lâché en 1966 qui continue à perdre le mylar de sa protection.
La première désintégration détectée fut celle du dernier étage du lanceur de Transit-4A, moins de 2 heures après un lancement parfaitement réussi. Aucune cause ne fut trouvée. Une autre désintégration mystérieuse fut celle de Cosmos 1275, 7 semaines après son lancement. 242 fragments furent détectés, mais leur nombre est certainement très supérieur. Récemment furent détectés, sur une orbite de 1000 km, des milliers de débris de 1 à 2 cm, laissés par des satellites Russes chargés d'observations océaniques, Rorsat, qui furent lancés entre 1972 et 1988. Leurs radars étaient alimentés par des réacteurs nucléaires. En fin de vie, ils furent envoyés sur cette orbite et les débris seraient des billes de sodium et de potassium, issues des circuits de refroidissements.
Aux États-Unis, le NORAD est chargé de la surveillance de l'orbite de ces débris. Plus de 8500 objets, dépassant 10 cm, sont actuellement surveillés, dont 1200 sont situés à plus de 5000 km de la Terre. Sur ces 8500, 94 % représentent des débris. De plus entre 50.000 et 150.000 sont de taille comprise entre 1 et 10 cm et ils sont des millions pour une taille inférieure. On compte 35 millions inférieur à 1 mm. Le NORAD dispose de radars et d'un réseau de 7 télescopes répartis sur l'ensemble des États-Unis. Ils permettent de suivre un objet d'un trentaine de centimètres sur l'orbite géostationnaire. En général, un objet de 2 cm est détecté à 1600 km. Ainsi début juin 2003, le NORAD a permis de manouvrer l'ISS pour éviter une collision avec le micro satellite italien Megsat-0.
Le 17 janvier 2005, un étage d'une fusée Thor a été percuté par un débris chinois.
Une des plus grandes créations de débris ne fut pas accidentelle, elle est due à un essai de missile anti-satellite chinois en 2007. Il provoqua la création de 2300 débris de taille observable. Cet événement est plus préjudiciable que les précédents essais de telles armes car il eut lieu à une altitude plus élevée (850 km) qui engendre une durée de présence en orbite d'au moins 35 ans. En juin 2007, le satellite Terra fut le premier à devoir être dévié pour lui éviter d'être touché par ces débris. Un événement de magnitude similaire survint le 16 février 2007 quand le dernier étage d'un lanceur russe Briz-M explosa en orbite au dessus de l'Australie. La fusée avait été lancée le 28 février 2006 transportant un satellite de communication Arabsat -4A, mais un dysfonctionnement l'empêcha d'achever la mise en orbite et il resta en orbite elliptique avec une grande quantité d'imbrûlés hypergoliques corrosifs. L'explosion fut photographiée par plusieurs astronomes, les observations radar n'ont pu établir précisément la trajectoire des débris à cause du caractère de leur orbite. Bien que d'une ampleur semblable au test chinois, le nuage de débris passe par une altitude moindre et une grande partie des 1100 débris identifiés retombèrent dans l'atmosphère rapidement. Une autre dislocation venait juste d'être observée le 14 février précédent, ce qui en fait trois en l'espace de deux mois. Il y en avait eu 8 dans l'année 2006, ce qui n'était jamais arrivé depuis 1993. Le 10 février 2009, la collision entre les satellites Iridium-33 et Cosmos-2251 produit un nombre important de débris.

En France, le CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) est chargé de cette surveillance. Une petite équipe, dirigée par Fernand Alby, suit tous les débris catalogués par le NORAD, qui sont susceptibles de croiser des satellites gérés par le CNES. Elle surveille leurs orbites et vérifie si elles croisent celles d'un objet non contrôlé. En cas de risque, les radars de la DGA (Délégation Générale de l'Armement) sont sollicités pour les confirmer, afin de modifier la trajectoire du satellite concerné. Le CNES effectue aussi des études dans le domaine optique, qui est la seule méthode d'étude des satellites en orbite géostationnaire. Cette étude se fait au travers d'une collaboration avec l'observatoire de la Côte d'Azur, doit voici un exemple de résultat (->).
Quant aux satellites automatiques, un certain nombre ont déjà été détruits par un débris. Jusqu'à présent, la collision enregistrée le 24 /07/1996, lorsqu'un fragment du 3ième étage d'Ariane 4, qui avait lancé Spot 1 en 1986, heurta le satellite militaire français, Cerise, à la vitesse de 14 km/s. Cerise avait était largué en même temps que le satellite Hélios 1A, le 7 juillet 1995. Sous le choc, son mât de stabilisation fut arraché. C'est un radar anglais qui a repéré la déstabilisation de Cerise. Plus tard le réseau de surveillance américain découvrira un nouvel objet. Depuis sur les cartes, il figure sous la dénomination : "mât Cerise". Il faut savoir, par exemple, qu'une bille d'aluminium de 1 mm à la vitesse de 10 km/s, à la même énergie cinétique qu'une balle de fusil. Au delà de 1 cm, rien ne résiste. Pour mieux faire comprendre, un objet de 3 mm à une énergie correspondante à un coffre-fort tombant d'une hauteur de 30 m.

Les déchets deviennent un problème préoccupant. Ils sont la principale source d'accidents pour les engins spatiaux. Les astronautes risquent, eux aussi, leur vie, car un débris peut percer leur scaphandre lorsqu'ils iront travailler dans l'espace ou bien les vitres de leur station. En juillet 1982, la station orbitale soviétique, Saliout 7, fut percutée par un débris dont la taille était très inférieure à 1 mm. Il laissa une trace de 4 mm sur une des fenêtres de la station. (Ce trou de 4 mm dans le pare-brise de la Navette Spatiale (->) a été créé par un petit débris estimé à 0,2 mm qui se déplaçait entre 3 et 6 km/s).
D'autre part, en 1991, la Navette Discovery fut obligée d'entreprendre une manouvre d'évitement afin de s'éloigner d'un 3ième étage d'une fusée Russe. Il en fut de même en 1992, pour un débris de plus de 10 cm. Le 12 janvier 1996, la Navette Endeavour a dû dévier sa route précipitamment pour éviter un vieux satellite militaire américain. Heureusement, les consignes sont strictes et les navettes ne doivent pas passer à moins de 1 mille (1852 m) d'un objet. Une navette est revenue sur Terre avec un impact sur un hublot. Depuis, les navettes n'ont plus de verrière. Un blindage remplace les hublots. Ces manouvres n'auraient pas été possibles sans le réseau de surveillance des USA, avec notamment, un super télescope à miroir de mercure liquide, installé à Cloudcroft (Nouveau-Mexique). Il est capable de distinguer des objets de 1 cm passant à sa verticale. L'ESA (Agence Spatiale Européenne) va mettre en place aux Canaries, un nouveau télescope muni d'une caméra CCD de 4096 X 4096 pxl, dans le but de poursuivre les débris. Il aura une précision de 2 à 6 cm sur l'orbite basse et 10 à 30 cm pour l'orbite géostationnaire.
Les débris spatiaux se meuvent à des vitesses très élevées. À moins de 2000 km d'altitude l'impact se fait à 10 km/s. A cette vitesse la moindre particule devient une balle de fusil qui contient des quantités significatives d'énergie et de moments cinétiques. Par exemple, la NASA remplace fréquemment des hublots de la navette spatiale parce qu'ils sont sensiblement endommagés par des objets aussi petits qu'une écaille de peinture. Une bille en aluminium de 1,3 millimètres de diamètre possède un potentiel de destruction semblable à celui d'une balle de fusil de 22 long rifle. Une bille en aluminium de 1 centimètre de diamètre est comparable à un déplacement d'une masse de 500 g à 100 km/h et un morceau de 10 cm de long est comparable à 25 bâtons de dynamite.

Mais comment se débarrasser des milliers de déchets, environ 100.000 soit environ 2500 tonnes d'objets métalliques ? 7000 engins spatiaux tournent depuis 1957, au-dessus de nos têtes et risquent d'endommager les engins spatiaux qui nous sont devenus indispensables. Cela va de fragments de peinture de fusées de la taille de têtes d'épingle à des satellites entiers, vieux ou hors d'usage. Lors du vol n°7 de la Navette, une écaille de peinture créa un cratère de 4 mm un hublot. L'on a apprit, lors de la première réunion européenne sur ce problème, à Darmstadt début avril 92, qu'au cours des 40 premiers vol de la Navette, les hublots avaient subi 40 impacts de micro-météorites d'origines artificielles. La question se pose avec d'autant plus de raison, que chaque jour de nouveaux engins décollent. Les risques de collision sont grandissants, si rien n'est fait. Déjà des mesures sont prises en ce qui concerne les ergols restants. Les réservoirs seront vidangés et les vannes de pressurisation, ouvertes. Quant à accroître le blindage, il augmente la masse au décollage, oblige à modifier le lanceur ou bien à diminuer la charge utile en orbite, tout en augmentant les coûts.

Comment définir la notion de débris et bien sûr, de responsabilités ? Que faire des débris de satellites possédant un générateur isotopique ? L'exemple de Cosmos 954, qui s'est écrasé au Nord du Canada en janvier 1978, a provoqué beaucoup d'inquiétude. Selon le CNES, un satellite retombe sur Terre chaque semaine (en moyenne). Dix jours avant sa chute, on arrive à connaître le jour fatal. La veille de celui-ci, on connaît l'orbite sur laquelle se trouvera l'engin lors de son entrée dans l'atmosphère. Il restera au final une incertitude de 2000 à 3000 km sur le point de chute. Cette incertitude n'est pas due à une mauvaise modélisation des mécanismes de rentrée dans l'atmosphère, mais à une mauvaise connaissance de la position de l'engin (ou du débris) sur son orbite . À ce problème s'ajoute la faible connaissance de l'atmosphère entre 80 et 100 km d'altitude. Lorsqu'un satellite rentre dans l'atmosphère, il se consume en grande partie. Les morceaux qui atteignent le sol sont des parties très denses de l'engin ou des parties protégées par la structure de l'objet.

Néanmoins des solutions sont envisagées. Par exemple, en ce qui concerne les satellites qui sont à 36.000 km (450 sont actuellement dénombrés), sur l'orbite géostationnaire et en fin de carrière, une orbite cimetière pourrait être instaurée à 400 km au-dessus. En effet, la vitesse y est très faible et la durée de vie pratiquement infinie. Les risques de collisions y sont presque nuls, même ils sont presque sans risque. Cette mesure est déjà en application, pour certains. Mais le problème est de prévoir avec exactitude la fin de vie, afin qu'il reste juste assez de carburant pour la propulsion sur l'orbite de parking. Les difficultés sont plus importantes pour les orbites inférieures à 2000 km. Si on laisse la gravitation agir, il faut attendre quelques mois à 200 km, plusieurs siècles entre 400 et 900 km et des millions d'années sur l'orbite géostationnaire. La rentrée dans l'atmosphère, bien que possible, est coûteuse et complexe. Un satellite emporte en général 1,5 tonnes de carburant servant en grande partie pour la mise en orbite et le reste sert aux corrections d'altitude. Un freinage pour désorbiter, nécessite quelques 10 % de la quantité emportée. On se trouve à la limite de la faisabilité économique. Et si on cherche une orbite cimetière, laquelle prendre ? L'augmentation des constellations de satellites de télécommunications, placés à 700 km, ne fait que commencer. Un projet de Bill Gates prévoit 840 satellites. Le problème va devenir crucial.

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