Débris spatiaux : vers des satellites réparables ?

Satellites hors service, étages de fusées, morceaux explosés… les débris spatiaux ont toujours attisé la curiosité du grand public. Ces déchets de l’espace, s’ils se mettent sur la trajectoire de satellites opérationnels, peuvent leur causer de graves dégâts, voire causer leur perte immédiate. Nous faisons le point sur ces objets inertes avec Pierre Omaly, chef de projet Tech for SpaceCare au CNES, et sur les solutions possibles pour les éviter. Il développe notamment des briques technologiques afin de rendre les satellites réparables et éviter ainsi de créer de nouveaux déchets.

Techniques de l’ingénieur : Quand s’est-on aperçu que les débris spatiaux étaient problématiques ?

Pierre Omaly : Dans les années 1950, on estimait qu’il n’était pas nécessaire de désorbiter des objets envoyés dans l’espace, car ce dernier était suffisamment vaste. Mais la prise de conscience de la densification des objets dans l’espace a commencé dans les années 2000, avec deux événements qui ont généré des milliers de débris qui constituent toujours, de nos jours, un problème. Le premier est un test antisatellite réalisé par les Chinois pour montrer leurs capacités. Le deuxième, en 2009, est la collision entre le satellite opéré Iridium-33 et un vieux satellite russe en panne Kosmos-2251. Et puis, depuis les années 2020, le NewSpace a augmenté, de façon exponentielle, le nombre d’objets en orbite.

Et donc de débris potentiels ?

En effet. L’arrivée des acteurs du NewSpace a engendré un transfert rapide de l’activité spatiale du secteur public vers le privé. Par exemple des financeurs qui ont fait fortune dans le numérique et qui investissent dans l’espace, parce que c’est cool et qu’il y a de l’argent à faire. Je parle notamment de SpaceX et sa constellation Starlink. Cette société a envoyé plus de satellites dans l’espace que la majorité – à part les plus grands – des pays mondiaux.

Il y a eu une explosion du nombre d’acteurs qui ont voulu entrer dans le spatial. Cela est dû au fait que les technologies sont suffisamment matures pour être mises à disposition de personnes non spécialistes de l’espace. Ce qui a provoqué, de ce fait, une réduction des coûts, une augmentation exponentielle des lancements et par conséquent un risque désormais avéré de saturation des orbites, de collisions entre les objets, et de prolifération accrue des débris spatiaux.

Par le fait d’avoir multiplié le nombre d’objets par 100, les probabilités de collision entre objets ont augmenté aussi. Un débris spatial qui se déplace à la vitesse élevée de 7 km/s et qui entre dans n’importe quel objet génère une explosion, et donc plein de petits débris pouvant provoquer des collisions en chaîne. Une fois générés, ils sont là-haut pendant très longtemps. Un objet de quelques centimètres à 800 km va rester un danger en orbite pendant des décennies. Mais les objets du NewSpace ne sont pas encore des débris. Ce qui est différent avec le newSpace des universités par exemple.

C’est-à-dire ?

Eh bien… je suis tout à fait favorable à ce que des étudiants se fassent la main en faisant voler des cubsats. Mais le problème c’est leur fiabilité. De nombreux cubsats sont des débris dès le départ. Ce sont des cubes de 10 cm³ à peine visibles des radars dont les deux tiers sont malheureusement en panne dès le lancement. C’est très bien de former les jeunes, de trouver une motivation pour travailler dans ce domaine en fabriquant un objet qui vole, car mine de rien vous avez le droit à l’erreur dans un contexte étudiant, mais c’est un débris. Cependant, on sent que les nouvelles générations d’étudiants ont cette fibre « écolo » et que la problématique des débris les préoccupe. L’apprentissage par l’échec pose de nos jours de gros problèmes et les premières générations d’ingénieurs spatiaux qui ont dû découvrir que l’environnement spatial est austère et difficile ont déjà produit leur lot de débris. Ce n’est pas la peine de continuer, il faut apprendre des échecs passés.

Est-ce qu’on les a quantifiés ?

Les chiffres évoluent chaque mois. On considère qu’on a environ 32 000 débris plus gros que 10 cm. 10 cm, c’est la taille que les radars au sol sont capables de détecter. Mais on estime à plusieurs centaines de millions le nombre de débris sous le centimètre. Comme on ne les voit pas, ce sont des statistiques réalisées par l’ESA et mises à disposition à travers la base de données Master. Comment ils ont fait ? En fait, ils ont regardé tout ce que l’homme a lancé, ce qui a explosé, et avec des modèles de simulation, ils estiment le nombre d’objets. Maintenant, plusieurs start-up en France travaillent sur la cartographie des objets visibles.

Est-ce qu’un débris de moins d’un centimètre est dangereux pour un satellite ?

Oui ! On sait qu’un débris de quelques centimètres peut faire exploser un satellite. Tout comme un débris de 5 millimètres peut être, in fine, lui aussi létal s’il arrive sur le réservoir ou sur l’ordinateur de bord. Et c’est un gros problème, car on ne les voit pas ! On a eu le cas documenté en 2016, d’un satellite de l’ESA, le Sentinelle 1A, qui a été impacté sur un panneau solaire par un débris de quelques millimètres. Les équipes s’en sont aperçues en détectant dans les télémesures un mouvement anormal du satellite. En regardant les images d’une caméra à bord du satellite, elles ont vu qu’il y avait un trou dans le panneau solaire. Après analyse, elles ont admis que son origine était due à la collision avec un petit débris. Même si ce débris n’a pas détruit le satellite, il a endommagé un panneau solaire et donc réduit l’énergie produite par celui-ci. Cet incident a contribué à la décision prise par l’ESA de lancer l’initiative « zéro net débris » qui a pour ambition de ne plus faire un seul débris avec ses missions après 2030.

Et en France, y a-t-il également des initiatives ?

Oui, en France, nous avons été les premiers à vouloir prendre en main cette problématique avec la mise en place d’une loi sur les opérations spatiales. Les opérateurs français qui veulent envoyer un lanceur ou des satellites doivent respecter un certain nombre de règles. Par exemple, le satellite ne doit bien sûr pas exploser en orbite. Mais aussi, une fois la mission terminée, il faut le passiver, c’est-à-dire arrêter tout système énergétique pour éviter tout risque d’explosion. Il doit aussi réduire l’altitude de son orbite afin qu’il y ait suffisamment de frottements pour que celui-ci redescende en moins de 25 ans. Des discussions sont en cours pour réduire ce nombre d’années à 5, notamment avec les constellations du NewSpace. Il faudrait même que ce soit immédiatement. Tout cela a pour but de minimiser la génération de débris en orbite. On voit même apparaître des publications d’acteurs privés se revendiquant plus vertueux que les règles en vigueur. Ils vont au-delà de la réglementation, car c’est dans leur intérêt de pérenniser leur installation.

Aujourd’hui, nous sommes encore perfectibles, car tous les pays ne respectent pas de façon égale les règles. Cependant, cela peut ouvrir la porte à de nouveaux business, d’aller chercher les véhicules en panne des opérateurs de constellation par exemple. Quand vous voyez des opérateurs du NewSpace investir massivement des dizaines de milliards pour mettre en place des constellations, ils n’ont pas intérêt qu’elles explosent. Les start-up pourraient ainsi trouver des solutions innovantes et des business plans associés pour nettoyer à la fois les nouveaux débris, mais aussi ceux qu’ont faits nos grands-parents dans le passé. Il y a quelques start-up sur le sujet, mais rien d’opérationnel aujourd’hui.

Et ce ne serait pas possible de recharger ou réapprovisionner les satellites ?

Pour l’instant en France non, mais on y travaille. Aller refaire le plein d’un satellite qui fonctionne toujours serait logique. Mais aujourd’hui ce n’est pas fait, car ce n’est pas forcément le manque de carburant qui fait qu’un satellite tombe en panne, mais les autres systèmes comme l’ordinateur de bord ou les systèmes de commandes. Et puis l’autre difficulté est la complexité de se rapprocher d’un véhicule qui se déplace à 7km/s. Ce sont des manœuvres délicates qui demandent des niveaux de technologies importantes. Et jusqu’à présent, la réparabilité d’un satellite n’était pas prévue dans sa conception. Il n’y a pas, par exemple, de vanne qui s’ouvre facilement pour faire le plein. Mais installer des vannes automatiques fait partie désormais des nouveaux programmes de recherche.

L’État investit d’ailleurs beaucoup d’argent avec France 2030 pour faire de l’In Orbit Servicing, afin par exemple de refaire le plein du satellite, changer un équipement ou un capteur défaillant. Il y a d’ailleurs eu deux démonstrations avec les missions MEV 1 et 2, deux satellites fabriqués par Northrop Grumman et opérés par SpaceLogistics récemment. Le satellite MEV s’est attaché à un satellite géostationnaire en panne sèche pour lui fournir la capacité de continuer à pointer ses antennes au bon endroit et ainsi poursuivre sa mission. Ce sont les missions civiles les plus évoluées à ma connaissance. Le recyclage, la réutilisation ou encore la réparation font partie des solutions pour réduire l’empreinte du spatial, au lieu de faire descendre un véhicule et le faire brûler dans l’atmosphère. C’est la suite logique de l’aventure industrielle spatiale.

Et au CNES, vous travaillez à ces solutions technologiques ?

Oui. Je travaille sur la conception des satellites pour qu’ils soient facilement réparables par les futurs services… qui n’existent pas encore. Et ce sont des choses toutes simples : par exemple mettre une poignée au satellite, conçue de façon à résister aux efforts inertiels des mouvements relatifs aux deux véhicules, pour que l’engin robotique puisse s’y agripper et tenir. C’est tout bête, mais aujourd’hui les satellites n’en possèdent pas systématiquement. Mais également les équiper de numéro de série ou de systèmes d’identification pour être approchés en toute sécurité. Cela fait partie des solutions que l’on essaie d’imaginer et de standardiser pour que cela devienne une norme afin que tout le monde puisse les utiliser.

En fait, on essaie de développer des technologies génériques pour qu’elles soient à la disposition de tous. On le fait avec des entreprises françaises pour que ce soient elles qui les commercialisent. Et ainsi montrer à l’international que concevoir des satellites à faible impact sur l’environnement spatial c’est possible, car on le fait en France.

Et mutualiser via une autre mission, ce ne serait pas moins coûteux ?

On peut en effet imaginer qu’un véhicule qui va faire une mission d’observation standard ramène un débris avec lui lorsqu’il se désorbite. Cependant, votre mission va sûrement coûter au moins deux fois plus cher. Il faudrait imaginer cette espèce de satellite « bicéphale » capable de remplir deux missions bien différentes… En plus il faudra décider qu’à un moment, on arrête la mission d’observation pour aller récupérer un débris. Et ça… allez dire à des scientifiques sur une super mission avec des résultats extra qu’il faut désorbiter alors qu’ils ont encore du carburant ! Tout le monde veut continuer d’utiliser ces instruments extraordinaires au maximum…

D’ailleurs si certains de vos lecteurs ont des idées innovantes, qu’ils m’écrivent. Je suis à l’affût d’idées révolutionnaires, qui changent la donne, des solutions techniques qu’on n’aurait pas vues, des systèmes disruptifs pas imaginés…

Qui paie pour les débris aujourd’hui ?

Personne pour les 20 000 objets envoyés là-haut pendant toute l’ère spatiale de 1957 à nos jours, qui appartiennent pour la majorité aux Américains, Chinois, Russes… La question se pose : est-ce que les Français devraient payer ? Dans mon projet « Tech for Space Care » au CNES, j’ai une activité sur les moyens financiers à imaginer pour monétiser les débris. En effet, si on se dit qu’on va dépenser 50 à 100 millions d’euros pour aller chercher une poubelle, personne ne le fera. Mais si vous considérez que cette poubelle peut exploser si vous ne l’enlevez pas et produire 10 000 débris qui vont potentiellement détruire 4 à 5 satellites à 200 000 millions d’euros, ce n’est peut-être plus la même chose. Mais il s’agit de probabilité… et aujourd’hui, aller investir 100 millions pour enlever un débris qui ne nous a pas encore fait de mal, c’est compliqué !

Aujourd’hui, quand on parle de nettoyer l’espace, on ne peut pas l’imaginer comme sur terre se débarrasser des déchets. Dans l’espace, c’est une mission, un débris, c’est bien cela ?

Oui c’est ce qu’on imagine. Les débris qui nous posent des problèmes aujourd’hui, sont ceux qui sont en clusters. Pendant la guerre froide, les Russes et Américains envoyaient plus ou moins un satellite militaire par semaine. Et les derniers étages des fusées sont toujours là, sur les mêmes altitudes. Il y a des clusters de 4 à 5 objets, des cylindres de 3 à 4 m de diamètre sur quelques dizaines de longueur qui tournent aux mêmes altitudes, qui se croisent plusieurs fois par jour. À plusieurs centaines de mètres parfois. Et plus le véhicule est gros, plus il est une réserve de débris quand il explose.

Pour l’instant pas de collision. Mais le jour où il y a collision, on pollue ces altitudes (800 km), à savoir l’une des plus utilisées pour faire de l’imagerie. Pour l’instant on vit avec une épée de Damoclès au-dessus de la tête.