Pollution spatiale : combien de satellites et de débris sont actuellement en orbite ?

A l'heure des super-constellations, il faut se poser la question

Depuis Spoutnik et les premiers lancements vers l'orbite, le monde a bien changé. Chaque année, états et entreprises envoient ensemble plusieurs centaines de satellites en orbite. Certains se désintègrent, d'autres restent là-haut et peuvent poser un problème pour l'avenir. Récapitulons un peu.

Combien de satellites en orbite terrestre ? Jusqu'au mois d'octobre 1957, la réponse était simple : un seul, la Lune ! Mais l'avènement des satellites artificiels a très vite brouillé les lignes.

La Lune, Spoutnik et...

En effet, lors du décollage de Spoutnik, le « tout premier satellite », le 3^e étage de la fusée russe R-7 Semiorka était lui aussi en orbite, à quelques centaines de mètres de là. Par ailleurs, Spoutnik était trop petit pour être vu depuis son orbite entre 215 et 919 km d'altitude : ceux qui se souviennent avoir vu un petit point lumineux traverser le ciel observaient en fait l'étage de la fusée, beaucoup plus imposant. 62 ans plus tard, nous ne sommes plus dans la même dimension. Selon le bureau des Nations Unies chargé des affaires spatiales (l'UNOOSA), il y a eu dans cette période 8 836 satellites envoyés en orbite, dont 5 362 continuent aujourd'hui à tourner autour de nous.

Mais, minute : ce chiffre ne paraît pas si élevé... Alors, où est le problème ? En fait, il y en a plusieurs. Déjà, il faut ajouter à ces objets les morceaux de leur lanceurs encore en orbite : des étages de fusée, parfois des réservoirs éjectables, ou des dispositifs d'éjection des satellites qui peuvent projeter d'autres petits débris autour d'eux. D'autre part, l'ESA a recensé un minimum de 500 événements menant à une désintégration partielle ou totale, qui ont généré des débris en orbite. Il peut y avoir différentes origines pour ces débris. Par exemple, de vieilles batteries mal déchargées peuvent exploser. Certains matériaux, exposés des milliers ou des millions de fois au cycle jour/nuit en orbite, cassent. Sur de vieux exemplaires, la peinture peut peler, ou s'écailler... Et bien entendu, il y a le risque de collision avec d'autres débris, répertoriés ou non.

Collisions haute vitesse

C'est à un satellite français qu'est officiellement attribuée la première collision avec un débris : le satellite Cerise, lancé en orbite en 1995 et évoluant à plus de 666 km d'altitude, fut frappé par un morceau attribué à une fusée Ariane l'année suivante. Il y a eu, depuis, d'autres événements. Le plus connu reste le cas du satellite de télécommunication Iridium 33 en 2009. En fonctionnement à 789 km d'altitude, il percuta le satellite russe Kosmos-2251, éteint depuis de longues années. À une vitesse relative de 42 000 km/h, les deux unités se sont instantanément pulvérisées en des milliers de débris : plus de 1 500 morceaux de ces satellites sont encore répertoriés en orbite dix ans plus tard. Il y a aussi la question des armes anti-satellites (ASAT), ces missiles que certains Etats ont testé sur leurs propres satellites pour démontrer leurs capacités. Les USA, la Russie, l'Inde et la Chine disposent de ces armes dans leurs arsenaux... Le test sur le satellite chinois Fengyun-1C en 2007, le plus décrié, a généré des milliers de minuscules morceaux en orbite.



En prenant en compte les débris, l'Agence Spatiale Européenne estime qu'il y a plus de 34 000 objets de plus de 10 cm en orbite... Et plus de 128 millions inférieurs au centimètre ! Chaque semaine, les agences suivent plus de 13 000 passages « proches » entre les satellites actifs et des débris. Lorsqu'une probabilité de collision excède les 0,1% des manœuvres sont en général initiées par protection... En tout cas si c'est possible !

Freinages atmosphériques

Les satellites (et débris) en orbite basse sont définis par une altitude entre 200 et 1 500 km. Et ce n'est pas parce qu'on dit de façon commune qu'ils sont « au-dessus de l'atmosphère » que cette dernière se termine comme une bulle. Des molécules atmosphériques sont toujours présentes à ces altitudes, suffisamment pour créer au fil du temps un freinage qui, sans propulsion, mènera un jour à leur destruction dans les couches basses de l'atmosphère. Ce freinage est très complexe à calculer, car il dépend de nombreux paramètres à la fois atmosphériques et liés au satellite : la surface qu'il présente perpendiculairement à la Terre, sa densité, sa vitesse... Auxquels il faut rajouter des influences en fonction de l'activité solaire.

À titre d'exemple, pour illustrer ces différences, une couverture thermique a été perdue lors d'une sortie en scaphandre sur l'ISS en mars 2017, et elle est rentrée dans l'atmosphère en quelques mois. Tandis que certains des nano-satellites éjectés depuis l'ISS à la même époque (mais volontairement cette fois !) ne sont rentrés dans l'atmosphère qu'au printemps cette année. Le freinage atmosphérique est à la fois une bonne et une mauvaise nouvelle pour les satellites. En orbite basse, il assure que sous les 500-600 km, même un petit satellite pourra freiner et se désintégrer dans l'atmosphère après quelques années (parfois quelques décennies) sans « polluer » une orbite. D'un autre côté, cela implique généralement qu'il faut équiper ses satellites d'une propulsion légère pour compenser de temps en temps cette dérive si la mission l'exige.

Au-delà de 700 à 800 km d'altitude, seuls les très grands satellites sont encore concernés par le freinage atmosphérique : si une petite unité tombe en panne, elle pourra mettre des centaines d'années avant de libérer sa « place ». Le plus flagrant exemple date de 1958 : c'est le second satellite américain mis en orbite, Vanguard-1. Il est toujours là-haut, désactivé depuis 61 ans et en orbite entre 660 et 3 800 km d'altitude... Et il y restera quelques siècles.

Le danger ? Je me ris du danger !

Du coup, au-delà du nombre « pur » de satellites et de débris en orbite, quel danger cela représente-t-il ? En orbite basse sous les 1 500 kilomètres, le risque est globalement limité... mais certaines orbites sont plus encombrées que d'autres.

C'est le cas par exemple des trajectoires polaires héliosynchrones. Non seulement elles permettent de couvrir l'ensemble du globe (y compris les pôles), mais aussi de bénéficier d'un ensoleillement constant : les mêmes zones sont survolées à la même heure. Elles sont particulièrement utilisées pour les application d'imagerie optique de la Terre. Mais le danger dans ces orbites encombrées et très demandées, c'est surtout celui de l'incertitude. La position des satellites est régulièrement ajustée lorsqu'ils sont observés au radar, mais ces données conservent une part d'inconnu. Et si un débris est petit, il n'est pas souvent observé.

Les différentes orbites communes des satellites

Ensuite, les outils d'observation des satellites sont la plupart du temps militaires : ils alimentent des catalogues qui sont régulièrement, de façon délibérée ou non, incomplets ou imprécis...

Enfin, on pourrait réfléchir au problème en termes de surface. Nous sommes pratiquement 8 milliards d'humains sur la même orbite (altitude d'environ 0) et nous cohabitons sans collisions la plupart du temps, non ? C'est oublier qu'au-dessus de nos têtes, tous les satellites ne se déplacent pas à la même vitesse et à la même inclinaison. Prenons un exemple d'un satellite sur une orbite de 500 x 500 km à une inclinaison de 0°, il tourne donc au-dessus de l'Equateur. Pour tous les autres satellites croisant l'équateur à 500 km d'altitude (que leur orbite soit circulaire, elliptique, qu'ils soient en cours de mouvement ou non) ce satellite peut poser un problème. Et bien sûr, s'il s'agit d'un satellite, c'est un cas simple. Mais dans le cas d'une petite constellation avec plusieurs unités qui se suivent, qui parfois sont mal référencées, ou bien au sein de laquelle un satellite s'est cassé dans un nombre inconnu de mini-débris, cela prend une grande importance.

Place à l'action

Que faire pour minimiser cet impact ? Déjà, il y a la piste de la responsabilité. S'il est impossible de revenir sur les 60 premières années de l'expansion spatiale humaine, il est possible de réglementer les 60 suivantes ! La France a par exemple mis en place la LOS, Loi sur les Opérations Spatiales (2010) qui s'applique à tous les lancements depuis Kourou. Elle offre deux volets, obligeant d'un côté les constructeurs et opérateurs à faire passer un contrôle à leur satellite, et à tenir l'engagement que les débris seront soit rentrés dans l'atmosphère en 25 ans, soit placés sur une orbite « cimetière ». En échange, l'Etat se porte garant en cas de problème.

Il est aussi possible de partager les orbites les plus demandées, comme on l'a vu pour l'observation de la Terre. C'est par exemple le cas du « A-train », cinq satellites qui se suivent à quelques centaines et quelques milliers de kilomètres d'écart, et qui passent systématiquement au-dessus des territoires qu'ils survolent à 13h30.

Aller plus haut

Le cas des orbites moyennes et hautes est différent. Impossible de compter sur un freinage atmosphérique, et l'énergie nécessaire pour rendre son orbite suffisamment elliptique et rentrer quand même dans l'atmosphère est trop importante pour les réservoirs de ces satellites. Il faut toutefois penser à leur fin de vie, d'autant que dans le cas des constellations de positionnement par exemple, on attend d'un satellite qu'il soit à sa place précise en orbite (autrement la référence qu'il envoie et que votre téléphone reçoit est fausse, et donc votre position aussi)... En orbite géostationnaire, c'est encore pire.

À environ 36 500 km d'altitude, sur l'Equateur, le déplacement relatif d'un satellite est nul par rapport à celui de la rotation terrestre : il est donc toujours au-dessus d'un même point (d'où son nom, géostationnaire). Du coup, les différentes nations disposent de « places » sur cette orbite, qui sont monnayées à différents opérateurs et gérées par l'ITU (Union Internationale des télécommunications)... Et là, une panne devient rapidement ennuyeuse : comme il y a de minuscules paramètres qui entrent en compte et nécessitent des corrections, un satellite en panne sur cette orbite commence en général à dériver après quelques semaines...

Cela peut alors obliger tous ses voisins à l'éviter. Les « vieilles unités » allument du coup leurs moteurs une dernière fois pour libérer leur place lors d'une fin de vie conventionnelle, pour se placer sur une orbite à quelques centaines de kilomètres d'altitude plus haute, et surnommée « cimetière ». Les unités là-bas ne rentreront jamais sur Terre, à moins qu'on aille les chercher.

Business du risque

Vous l'aurez compris, le problème est plus complexe que « il y a trop de satellites au-dessus de nos têtes » ou bien « pas de danger, l'espace est si grand ». Il y a des risques, aujourd'hui bien identifiés mais peu contrôlés.

Le sujet sera beaucoup abordé dans les années à venir cependant, puisque différents opérateurs prévoient de mettre en place des super-constellations de satellites de communication en orbite basse : SpaceX avec Starlink, OneWeb, TeleSat, Amazon avec son projet Kuiper... Ces opérateurs promettent de faire rapidement tripler, voire quintupler la population totale de satellites en orbite, et plusieurs acteurs dont l'agence spatiale européenne (ESA) demandent que des instances prennent le relais pour mettre en place des processus plus contraignants que ce qui existe aujourd'hui pour tenter d'éviter au maximum les collisions, gérer les débris et les fin de vies de ces dizaines de milliers d'unités.

Pour terminer, la gestion des orbites promet un futur chargé... Que plusieurs entreprises espèrent transformer en business lucratif. Astroscale par exemple, souhaite montrer que ses modèles pour désorbiter satellites et débris sont matures. Northrop Grumman a envoyé au mois de septembre une première mission « de service » avec un satellite qui va prochainement s'amarrer à une ancienne unité pour prolonger sa durée de vie... Les idées ne manquent pas !