La station spatiale internationale n'en a pas fini avec les débris spatiaux

Lundi 15 novembre, la Russie a détruit un de ses vieux satellites lors d'un test de son arsenal antisatellite. Ce tir a créé un nuagenuage de nouveaux débris spatiaux, à travers lequel passe régulièrement la station spatiale internationale. Le 18th Space Control Squadron confirme la rupture du satellite CosmosCosmos-1408 et, alors que l'analyse est encore en cours, estime qu'il pourrait y avoir environ 1.500 débris liés à l'incident.

Les débris spatiaux sont extrêmement nombreux en orbite de la Terre entre 440 et 520 kilomètres: ils sont une des conséquences inhérentes à l'activité humaine dans l'espace.

Les premiers débris spatiaux sont arrivés en 1957, avec plus de 98 % de la masse mise sur orbite lors du lancement de Sputnik-1. Depuis 1957, plus de 5.000 lancements ont eu lieu -- ils ont généré 23.200 objets catalogués de plus de 10 centimètres, ce qui représente plus de 99 % de la masse totale présente en orbite, soit plus de 8.000 tonnes. Ces lancements ont également généré environ 740.000 objets de 1 à 10 centimètres, ainsi que plus de... 160.000.000 d'objets de 0,1 à 1 centimètre qui, eux, ne sont pas répertoriés. En quelques années, les compagnies privées, qui lancent des constellations de satellites, ont mis plus d'objets en orbite que la France dans toute son histoire.

Faut-il se lancer dès à présent dans le nettoyage des orbites ? La politique de la France est claire - il faut commencer par ne pas en ajouter, et donc influencer la production de débris et limiter leur prolifération. Cependant, nous travaillons en parallèle sur un certain nombre de technologies qui permettront à terme de faire de l'« ADR », pour active debris removal.

Pour l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne (ESA), la philosophie est différente. Elle a notamment signé un contrat en décembre dernier avec la start-up suisse Clear Space pour réaliser la première mission d'enlèvement d'un débris spatial. Il existe aussi d'autres initiatives comme celle par exemple d'Astroscale, entreprise privée singapourienne, fondée en 2013, avec le lancement d'ELSA-d ce 20 mars, une mission de démonstration de nettoyage de débris en orbite.

Qu’a-t-on envoyé en orbite depuis 1957 ?

En orbite de la Terre, on trouve des satellites opérationnels, des satellites en fin de vie, des étages de lanceurs abandonnés et des fragments de toutes tailles provenant principalement d'explosions accidentelles ou volontaires ou du vieillissement des matériaux dans l'espace.

La vitesse des objets « en orbite basse » (à une altitude inférieure à 2.000 km) est très élevée. À huit kilomètres par seconde, un débris peut infliger des dommages importants à un satellite opérationnel en cas de collision.

Les débris spatiaux peuvent représenter également un risque au sol, en cas de retombée de gros fragments sur Terre. Statistiquement, un gros débris tombe chaque semaine à la surface de la Terre (principalement dans la mer) mais, à ce jour, on ne recense aucun décès provoqué par un débris spatial - une seule personne aurait été touchée à l'épaule par un débris, aux États-Unis, en 1997. Très récemment, un morceau de plus de 10 mètres de long et provenant d'une fuséefusée chinoise est tombé en Afrique.

Deux évènements majeurs ont généré une quantité importante de débris : la destruction volontaire d'un satellite chinois le 11 janvier 2007 par un essai d’arme antimissile, avec 3.527 débris identifiés toujours en orbite en mars 2021, et la collision entre le satellite américain IridiumIridium 33 et le satellite russe Cosmos 2251, le 10 février 2009, qui a doublé la quantité de débris de plus de 10 cm en orbite. Une partie des débris non identifiés (ceux inférieurs à 10 centimètres), en particulier les plus petits, sont redescendus et ont brûlé en rentrant dans l'atmosphèreatmosphère. Malgré cela, il en existe encore sûrement un certain nombre que l'on ne peut pas voir (ils sont trop petits) mais qui constituent néanmoins un danger pour les satellites opérationnels (car pas assez petits, étant supérieurs à 1 millimètre).

Surveiller l’activité des débris

Afin de lutter contre cette prolifération, des mesures de préventionprévention et de surveillance sont appliquées par certaines agences sur une base volontaire. Par exemple, pour connaître la situation spatiale sur l'orbite basse, le CnesCnes utilise les données du XVIIIᵉ escadron de contrôle spatial de l'armée américaine, auxquelles s'ajoutent les données issues du radar Graves de l’Onera, qui détecte les débris situés entre 400 et 1.000 kilomètres d'altitude. Ces observations peuvent être complétées par les radars de la DGA ou de l'armée de l'airair.

Un des télescope du réseau Tarot (Télescopes à Action Rapide pour les Objets Transitoires), à la Silla au Chili. Les autres téléscopes du réseau sont à Grasse, à la Réunion, et bientôt en Polynésie française. Le réseau est utilisé pour détecter les sursauts gamma, mais aussi les satellites artificiels en orbite géostationnaire (36.000km) autour de la Terre. ESO, CC BY

En ce qui concerne l'orbite géostationnaireorbite géostationnaire (à 36.000 kilomètres), les données de l'armée américaine sont complétées par des observations optiques, notamment celles des télescopestélescopes Tarot. Le traitement des images permet de détecter les objets et de calculer leur trajectoire. La précision de cette trajectoire est améliorée à chaque nouvelle observation, ce qui permet d'évaluer les risques de collision.

Gérer les risques

Malheureusement, on ne peut intervenir activement que sur les objets qui ont un système de propulsion, dits « manœuvrants ». C'est pourquoi les mesures de surveillance et les catalogues permettent de mettre en place des systèmes de prévision de collision en orbite, de suivis des rentrées atmosphériques et de calculs de risque. À partir des mesures radars, les trajectoires sont « propagées » dans le temps et on évalue le risque de collision.

Au CNES, c'est Caesar (Conjunction Analysis and Evaluation Service, Alerts and Recommendations) qui dispense le service d’analyse des risques de collision, au sein du consortium européen EU-SSTSST. Ce service détecte et catalogue les différents objets spatiaux, propage leurs mouvementsmouvements en orbite autour de la Terre, analyse les informations disponibles sur les rapprochements en orbite, évalue le niveau de risque, alerte le centre de contrôle du satellite concerné quand le niveau de risque dépasse un seuil (choisi au préalable) et valide les actions d'évitement.

Éviter les débris, une progression lente

Différentes technologies peuvent aider à éviter la création de nouveaux débris, par exemple mât de traînée du satellite Microscope a permis de déployer une voile en fin de vie du satellite, pour augmenter la surface de traînée et réduire sa présence en orbite de plusieurs dizaines d'années.

Des architectures et des boucliers de protection permettent aussi de prémunir les engins spatiaux des impacts de microdébris, inférieurs à quelques millimètres, qui peuvent gravement endommager les systèmes et compromettre leurs missions.

Une journée au cœur de l'agence spatiale Française. Le CNES ouvre ses portes pour parler de débris spatiaux. © Spacefox, Florent Bodénez

Pour le moment, la France met en œuvre les moyens qui permettraient de limiter la prolifération des débris et développe son influence internationale pour promouvoir des comportements vertueux. En effet, des règles anti-prolifération existent et sont simples :

• ne pas produire de débris en orbite intentionnellement ;
• passiver les satellites en fin de vie (en larguant le carburant qui pourrait générer d'autres débris en explosant lors d'une collision) ;
• respecter la « règle des 25 ans » pour les satellites en orbite basse (les satellites doivent rentrer dans l'atmosphère dans les 25 ans suivant leur fin de vie opérationnelle) ;
• respecter l'« orbite cimetièreorbite cimetière » pour les satellites géostationnairessatellites géostationnaires (orbite qui évite les satellites opérationnels).

Ces règles permettent de commencer à maîtriser l'augmentation des débris, mais elles s'appliquent progressivement et avec une diligence propre à chaque État, et il existe dans l'espace de nombreux satellites ou étages de lanceurs d'anciennes générations, qui ne respectent pas ces règles et restent préoccupants.

La nécessité de régulation devient pourtant de plus en plus importante, en particulier depuis l'arrivée ces dernières années de ce que l'on nomme le « newspace », et notamment le lancement de mégaconstellations de satellites et la prolifération des nanosatellitesnanosatellites à faible coût.