Pourquoi les collisions entre satellites pourraient compromettre l'exploration spatiale

Un artiste a représenté un épais anneau de débris spatiaux autour de la Terre qui pourrait se former dans le cas d'un "syndrome de Kessler". Shutterstock

Comme nous envoyons de plus en plus de choses dans l'espace, les chances qu'elles se heurtent les unes aux autres augmenteront indéniablement. SpaceX et l'Agence spatiale européenne (ESA) ont failli avoir ce problème le 2 septembre dernier. L'armée de l'air américaine les a averti que l'un des nouveaux satellites Starlink de SpaceX et le satellite de surveillance du vent Aeolus de l'ESA pourraient bientôt entrer en collision. Les probabilités d'une telle éventualité ont rapidement grimpé à 1 sur 1 000.

L'ESA n'a pas pu communiqué avec SpaceX après que le risque a augmenté, alors l'agence européenne a tiré un propulseur sur Aeolus pour éviter toute collision potentielle. De tels incidents sont rares, mais ils se multiplieront à l'avenir à mesure que SpaceX, OneWeb, Amazon et d'autres enverront des dizaines de milliers de nouveaux satellites dans l'espace. Une seule collision accidentelle pourrait générer d'innombrables petits morceaux de débris spatiaux, tout comme les tirs délibérés sur des engins spatiaux, à l'instar du test indien de la "Mission Shakti", en mai dernier.

Le gouvernement américain suit environ 23 000 objets que les humains ont fabriqués, fllottant dans l'espace, et plus gros qu'une balle de softball. Ces satellites et ces débris font le tour de la planète à plus de 28 000 km/h, soit environ 10 fois la vitesse d'une balle. Jusqu'au 1er avril, la liste des débris spatiaux incluait aussi la station spatiale chinoise Tiangong-1, qui fait la taille d'un autobus, et qui a brûlé dans l'atmosphère terrestre. Cependant, il y a aussi des millions de petits morceaux de débris spatiaux—parfois appelés micrométéorites — en orbite autour de la Terre. 

Jesse Gossner, un ingénieur en mécanique spatiale qui enseigne à la Advanced Space Operations School de l'US Air Force, avait déclaré à Business Insider en 2018 : "Il y a beaucoup de plus petites choses que nous pouvons voir mais que nous ne pouvons pas mettre sur une orbite, une trajectoire."

Alors que les entreprises et les agences gouvernementales lancent de plus en plus d'engins spatiaux, on s'inquiète davantage de la probabilité qu'un "syndrome de Kessler" survienne : une série de collisions orbitales en cascade qui pourraient empêcher aux humains d'accéder à l'espace pendant des centaines d'années.

Voici qui sont les personnes qui assurent le suivi des débris spatiaux, comment les collisions de satellites sont évitées et ce qui est fait pour prévenir les catastrophes.

Les milliers de lancements depuis l'aube de la conquête spatiale ont donné naissance à de nombreux débris spatiaux. La plupart des débris spatiaux se trouvent dans deux zones : l'orbite terrestre basse, qui se trouve à environ 2 000 km d'altitude, et l'orbite géostationnaire, qui se situe à environ 35 786 km au-dessus de la Terre.

Une simulation de tous les débris spatiaux en orbite autour de la Terre. ESA

En plus des 23 000 objets de la taille d'une softball ou plus grands — comme des étages de fusée, des satellites et même des vieilles combinaisons spatiales — il y a plus de 650 000 objets allant de la taille d'une softball à la taille d'un ongle.

L'astronaute de la NASA Mike Hopkins dans une combinaison spatiale à l'extérieur de la Station spatiale internationale le 24 décembre 2013. NASA

Il se peut qu'il y ait aussi 170 millions d'autres débris aussi petits qu'une mine de crayon, comme des boulons explosifs et des taches de peinture.

Source : ESA

Beaucoup de minuscules débris se sont retrouvés en orbite en 2007, lorsque la Chine a fait intentionnellement entrer en collision l'un de ses vieux satellites et un 'véhicule tueur'. Puis, en 2009, un vieux satellite russe et un satellite américain sont entrés en collision, ajoutant encore plus de débris dangereux.

Les points rouges représentent des morceaux connus du satellite chinois FY-1C, qui a été détruit. Les points verts représentent des satellites en orbite basse. Celestrak/Analytical Graphics, Inc.

L'Inde a également généré des milliers de débris avec l'essai de son missile anti-satellite 'Mission Shakti', le 27 mars 2019.

Simulation de débris spatiaux créés par le test indien "Mission Shakti". Analytical Graphics Inc.

Source : Business Insider

Il reste souvent du carburant dans les fusées que l'on trouve en orbite. Comme l'environnement hostile de l'espace affaiblit les pièces de la fusée au fil du temps, les combustibles peuvent se mélanger, exploser et pulvériser encore plus de débris dans toutes les directions.

Illustration d'une explosion de fusée dans l'espace. ESA

Aucun débris spatial n'est insignifiant, car chacun d'eux se déplace à des vitesses suffisamment élevées pour causer des dommages catastrophiques à des équipements vitaux. Un seul petit impact pourrait être fatal pour les astronautes qui voyagent à bord d'un vaisseau spatial.

Le radiateur de la navette spatiale Endeavour a été touché par un débris spatial lors d'une de ses missions. Le trou d'entrée mesure environ 0,25 pouce de largeur et le trou de sortie est deux fois plus grand. NASA

Jack Bacon, un scientifique senior de la NASA, avait déclaré à Wired en 2010 que l'impact d'une sphère d'aluminium de 10 cm de diamètre équivaudrait à la détonation de 7 kg de TNT.

Si le problème des débris spatiaux devenait incontrôlable, une collision pourrait entraîner d'autres collisions, ce qui répandrait encore plus de débris : une chaîne d'accidents connue sous le nom de syndrome de Kessler.

Une illustration d'un événement de l'espace appelé "syndrome de Kessler". Shutterstock

L'astrophysicien Donald J. Kessler, qui travaillait pour le Johnson Space Center de la NASA, a développé cette idée dans une étude de 1978. Donald J. Kessler et son collègue de la NASA Burton G. Cour-Palais ont calculé que de plus en plus de lancements dans les prochaines décennies augmenteraient les risques de collisions dans l'espace.

Dans l'étude intitulée "Collision Frequency of Artificial Satellites : The Creation of a Debris Belt", ils ont également décrit les sources importantes de débris spatiaux ainsi que des solutions pour éliminer les débris dangereux en orbite. 

Comme l'explique l'étude de Kessler, plus un objet est massif, plus il peut créer de débris spatiaux s'il est touché. Ainsi, les gros objets présentent un risque beaucoup plus élevé de collisions en cascade s'il y a beaucoup d'autres satellites sur des orbites similaires.

La station spatiale internationale pèse 450 tonnes et fait la taille d'un terrain de football. NASA

Un syndrome de Kessler pourrait créer un champ de débris semblable à une ceinture d'astéroïdes dans de vastes régions de l'espace autour de la Terre. Ces zones pourraient être trop risquées pour accueillir de nouveaux satellites ou vaisseaux spatiaux pendant des centaines d'années, ce qui limiterait considérablement l'accès à l'espace.

Une vue de l'Afrique prise par les astronautes d'Apollo 11 le 20 juillet 1969. NASA/Flickr

Le syndrome de Kessler joue un rôle central dans le film 'Gravity', dans lequel une collision spatiale accidentelle met en danger un équipage à bord d'une importante station spatiale. Mais Jesse Gossner explique qu'il est peu probable qu'une telle catastrophe se produise dans l'espace.

Une scène du film "Gravity". Warner Bros./YouTube

"Pour l'instant, je ne pense pas que nous soyons proches d'une telle situation", dit-il. "Je ne dis pas que ça ne pourrait pas arriver et que nous n'avons pas besoin d'être intelligents et de gérer le problème. Mais je ne pense pas que ça deviendra un problème ingérable dans un avenir proche."

Il n'y a pas de système actuellement pour enlever les vieux satellites ou balayer les débris afin de prévenir un syndrome de Kessler. Au lieu de cela, les débris spatiaux sont surveillés depuis la Terre, et de nouvelles règles exigent que les satellites en orbite terrestre basse soient désorbités après 25 ans, afin qu'ils ne finissent pas par ajouter des débris spatiaux.

Illustration du système e.Deorbit pour prendre dans un filet et enlever d'anciens satellites de l'espace. David Ducros/ESA

"Notre plan actuel est de gérer le problème et de ne pas le laisser aller aussi loin", a déclaré Jesse Gossner. "Je ne pense pas que nous soyons sur le point d'avoir besoin d'enlever activement des choses. Beaucoup de recherches sont en cours à ce sujet, et peut-être qu'un jour cela se produira, mais je pense qu'à ce stade, et à mon humble avis, c'est une dépense inutile."

Le Réseau de surveillance spatiale nord-américain (Space Surveillance Network — aussi appelé SSN) participe en grande partie à l'effort de prévention d'un syndrome de Kessler. Le projet, dirigé par l'armée américaine, utilise 30 systèmes différents à travers le monde pour identifier, suivre et partager des informations sur les objets dans l'espace.

Illustration d'un futur système de surveillance des débris spatiaux qui utilise la technologie optique, radar et laser au sol, ainsi que des satellites de surveillance en orbite. Alan Baker/ESA (CC BY-SA 3.0 IGO)

De nombreux objets sont suivis jour et nuit grâce à un réseau d'observatoires et de radars dans le monde entier.

Les radars Haystack et HAX situés à Tyngsboro, dans l'Etat du Massachusetts, recueillent 600 heures de données sur les débris spatiaux tous les ans. Ils constituent la principale source de données de la NASA sur les débris spatiaux de l'ordre du centimètre. NASA

Les télescopes au sol gardent aussi un œil, mais ils ne sont pas toujours gérés par le gouvernement américain. 'En fait, le secteur commercial installe de nombreux télescopes, explique Jesse Gossner. Le gouvernement paie pour leurs services de suivi des débris spatiaux.'

Un astronome amateur regarde à travers un petit télescope. Shutterstock

Jesse Gossner a indiqué qu'il existe une importante entreprise de suivi des débris baptisée Exoanalytic. Elle utilise environ 150 petits télescopes installés dans le monde entier pour détecter, suivre et signaler les débris spatiaux au SSN.

Des télescopes dans l'espace surveillent les débris également. On en sait beaucoup moins à leur sujet parce qu'il s'agit probablement de satellites militaires top-secrets.

Les objets détectés par le gouvernement américain et les entreprises sont ajoutés à un catalogue de débris spatiaux et comparés aux orbites d'autres débris spatiaux connus. De nouvelles orbites sont calculées à l'aide de supercalculateurs pour voir s'il y a un risque de collision.

Une piste satellite laissée par la Station spatiale internationale dans une longue exposition nocturne du ciel. Michael Seeley/Flickr (CC BY 2.0)

Diana McKissock, chef de vol au sein du 18e Escadron de contrôle spatial de l'US Air Force, aide à suivre les débris spatiaux pour le SSN. Elle a déclaré que le réseau de surveillance émet des avertissements à la NASA et aux entreprises en fonction de deux niveaux d'urgence : basique et avancé.

Des débris orbitaux photographiés à partir d'une navette spatiale de la NASA en 1998. NASA

Le SSN publie un rapport d'urgence basique trois jours avant qu'une collision ne survienne, soit une fois sur 10 000. Il fournit ensuite plusieurs mises à jour par jour, jusqu'à ce que le risque de collision soit écarté.

Une illustration de débris spatiaux. Les satellites et les débris ne sont pas à échelle. ESA

Pour qu'un objet solitaire puisse faire l'objet d'une telle déclaration, il doit se trouver à une certaine distance d'un autre objet. En orbite terrestre basse, cette distance doit être inférieure à 1 kilomètre ; dans l'espace plus lointain, où la précision des orbites est moins fiable, la distance est inférieure à 5 kilomètres.

Les rapports d'urgence avancés permettant aux fournisseurs de satellites de connaître les collisions possibles beaucoup plus longtemps que trois jours à l'avance. 'En 2017, nous avons fourni des données sur 308 984 événements, dont seulement 655 devaient faire l'objet d'un rapport d'urgence', a déclaré Diana McKissock à Business Insider US dans un email. Parmi aux, 579 événements étaient en orbite terrestre basse (où il y a relativement peu de satellites).

Lorsqu'une société spatiale reçoit une alerte du SSN, elle met généralement son satellite sur une orbite différente — et hors de danger — en brûlant un peu de propergol.

Illustration du Fermi Gamma-ray Space Telescope en train de mettre à feu ses propulseurs pour éviter une potentielle collision. NASA's Goddard Space Flight Center/CI Lab

Même si des entreprises comme SpaceX lancent de plus en plus d'objets dans l'espace, Diana McKissock explique que 'notre préoccupation quotidienne n'est pas aussi catastrophique que le syndrome de Kessler'.

La dernière photo de "Starman" dans la Tesla Roadster rouge d'Elon Musk, alors qu'il vole vers Mars. La Terre est le croissant lumineux que l'on aperçoit à l'arrière-plan. Elon Musk/SpaceX via Instagram

La priorité est d'éviter d'endommager des satellites à plusieurs millions de dollars et d'assurer la sécurité des astronautes. 'C'est juste une question de surveillance et, avec les satellites actifs que nous contrôlons, nous évitons les collisions', a déclaré Jesse Gossner. 'Ça devient un problème très important, non seulement pour le satellite, mais aussi pour les débris qu'il créerait.'

Illustration d'un satellite endommagé par des débris spatiaux. Shutterstock

Ainsi, à chaque fois qu'un objet massif tombe sur Terre, comme cela a été le cas de la station spatiale chinoise Tiangong-1 (qui pesait 9,4 tonnes) en avril dernier, il faut se réjouir et non désespérer.

Une illustration de la grande station spatiale modulaire de la Chine, Tiangong-1, en train de brûler dans l'atmosphère terrestre. Aerospace Corporation/YouTube

Le prochain très gros objet à tomber sur Terre après Tiangong-1 pourrait être le télescope spatial Hubble de la Nasa, qui pèse 12,25 tonnes, et qui pourrait être désorbité dès 2021.

Le Hubble Space Telescope. NASA

Comme d'autres objets qui peuvent être condamnés, Hubble (ainsi que la Station spatiale internationale, à terme) seront désorbités dans le 'cimetière des engins spatiaux' : le point le plus isolé de l'océan Pacifique.

Le Point Nemo, également connu sous le nom de "pôle maritime d'inaccessibilité". Google Earth ; Business Insider

Source: Business Insider

Version originale : Dave Mosher/Business Insider

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