Débris spatiaux

Un débris spatial est par définition un objet artificiel résiduel et non fonctionnel par opposition à un satellite qui est opérationnel.
Les satellites qui gravitent au-dessus de nos têtes sont indispensables car ils organisent la vie moderne sur Terre.
Les satellites permettent les communications  et les échanges de données de toutes natures (données informatiques, images, voix, données militaires, données météo, observation de la Terre, etc.).
En orbite au-dessus de la Terre, il y a beaucoup plus d'objets non fonctionnels que d'objets utiles. En 2009, il y avait environs 600 satellites utiles pour 10 000 gros débris qui ne servent plus à rien. Selon l'association UCS (Union of Concerned Scientists), il y aurait en 2016, 1 419 satellites opérationnels en orbite terrestre. Parmi ces débris on trouve des satellites en fin de vie, des étages supérieurs de lanceurs, des objets relâchés par erreur pendant les missions (sangles, boulons pyrotechniques), des produits de collision (lorsqu'un débris rencontre un autre débris) et des débris d'usure. Les débris d'usure sont de microscopiques débris qui progressivement, dans le vide spatial chaud et froid, se désagrègent. Cette rupture de matériaux éparpille ses écailles sur les différentes orbites autour de la terre.
Les débris sont situés partout mais plus particulièrement dans deux zones fondamentales, la zone des orbites basses jusqu'à 2 000 kilomètres d'altitude et la zone géostationnaire située à 36 000 kilomètres d'altitude, plus ou moins 200 km et plus ou moins 15° de latitude. Ce sont ces zones de forte concentration d'objets qui demandent le plus d'attention de la part des scientifiques. Il y a, à peu près 10 000 à 12 000 objets considérés comme des gros débris, parmi ces 12 000 objets, il  y a environs 3 000 gros satellites et 2 000 gros étages de lanceurs, les 6 à 7 000 autres objets sont plus petits, sangles, capots et autres boites à outils...

Il y a 400 000 objets de 1 centimètre de diamètre, qui en cas de collision, ont une énergie cinétique équivalente à celle d'un coffre fort lancé à 100 km/h.
Et il y a 35 000 000 d'objets de la taille de 1 millimètre, les objets en dessous de cette taille n'intéressent pas les chercheurs. La problématique se situe au-dessus de 1 millimètre de diamètre.
Le risque principal est le risque de collision lié à la vitesse des débris, cette vitesse de 40 à 45 000 km/h représente des énergies cinétiques phénoménales proportionnelles au carré de la vitesse.
Les objets retombent parfois sur Terre après avoir perdu énormément d'énergie, car les objets s'échauffent et fondent en traversant l'atmosphère terrestre (1500°C). Il ne reste que 10 % de leur masse, une fois sur le sol terrestre. Le satellite Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) mesurait une dizaine de mètres et pesait 5 668 kg. En orbite entre 1991 et 2011, UARS s'est écrasé sur Terre, le 23 septembre 2011, à la vitesse de 30 000 km/h, faute de carburant. Il avait depuis longtemps commencé à ralentir pour se rapprocher inexorablement du sol.
«Des engins de cette taille retombent sur Terre, en moyenne une fois par an», a expliqué Mark Matney, un scientifique de la NASA spécialiste des débris spatiaux.
Le plus grosse pièce à être retombé sur Terre, est la station spatiale soviétique Salyut 7.
Les débris sont tombés en 1991, sur une ville d’Argentine, sans faire de victime.

Image : Les débris spatiaux qui pullulent en orbite, sont situés un peu partout mais plus particulièrement dans les deux zones fondamentales, la zone des orbites basses (2 000 km d'altitude) et la zone géostationnaire (36 000 km).

Le risque le plus élevé se situe entre 800 et 1 400 km d'altitude où la multiplicité des débris est exponentielle.
Lorsqu'un débris rencontre un autre débris, il se crée 114 autres débris, ce qui régénère les débris de façon exponentielle.
La station spatiale se situe à 340 kilomètres d'altitude en moyenne et ces derniers temps, elle a du effectuer des manœuvres d'évitement pour "slalomer" entre les débris. Il y a 2 alertes majeures par jour concernant la station spatiale. Ces alertes font l'objet de calculs plus fins menés par le centre orbital à Toulouse pour voir si la trajectoire élaborée par les premiers calculs est vraiment dangereuse puis si le risque est avéré, les radars vont regarder encore plus finement et déterminer une trajectoire encore plus précise. A l'issue de cette dernière étape, s'il y a encore un risque on évite la trajectoire du débris.
Le réseau dédié français, le réseau "Graves" (Grand Réseau Adapté à la VEille Spatiales), a été mis en service en 2006. Il permet de surveiller toute la zone des orbites basses, jusqu'à 2000 kilomètres d'altitude.

Les solutions "filet à papillon" ou "méga aimant" ne sont pas prises au sérieux par la communauté spatiale internationale.
Il n'y a pas vraiment de solution opérationnelle en 2009, pour récupérer ces débris, la plupart des solutions étant encore farfelues. L'USSPACECOM tient à jour grâce à plusieurs installations radars et télescopes, un catalogue contenant environ 15 000 objets de plus de 10 cm en orbite basse et de plus de 1 m en orbite géostationnaire (35 786 km). Cependant, la majorité des débris ne sont toujours pas observés. Selon l'Institute of Aerospace Systems de Braunschweig, il y aurait plus de 330 millions d'objets artificiels d'un diamètre d'au moins un millimètre en orbite terrestre.

Image : La Station spatiale internationale doit parfois slalomer pour éviter une collision. « Il sera bientôt urgent de nettoyer les orbites », témoigne Christophe Bonnal, responsable du dossier des débris spatiaux au Centre national d’études spatiales.

En octobre 2012, le quatrième étage (Breeze M) dont la mise en orbite par le lanceur Proton a été ratée en aout 2012, vient de se briser dans la proche banlieue terrestre, à l’intérieur d’une bande orbitale dans laquelle circulent  des satellites militaires et scientifiques et surtout, la Station Spatiale Internationale.
Encore un nuage de débris à la dérive qui tôt ou tard menacera ISS. Lors de cet échec, l'agence spatiale russe Roskosmos, avait incriminé le troisième étage qui n'aurait fonctionné que pendant 7 secondes au lieu des 18 minutes et 5 secondes prévues. Son composant supérieur, baptisé Breeze, n'a pas pu rejoindre sa position sur son orbite définitive. Les deux satellites de télécommunications qu’il transportait, Telkom-3 et Express-MD-2, ont disparus eux aussi dans l'espace.

nota : Le lanceur Proton est le principal lanceur lourd russe. Il est capable de placer une charge utile de 22 tonnes en orbite basse et plus de quatre tonnes en orbite géostationnaire (35 786 km). Développé au début des années 1960 le premier tir réussi a lieu en 1965. Depuis sa conception, 362 tirs ont été réalisés.

Image : L'étage supérieur Breeze-M d'un diamètre de 4,15 mètres, a explosé dans l'espace. C'est la troisième fois que cela arrive, déjà en 2007 et 2010 et le 16 octobre 2012. © Khrunichev

Le 10 février 2009, une épave de satellite russe Cosmos 2251 (900 kg), a percuté un satellite de communications opérationnel américain, Iridium Satellite LLC (560 kg).
Le choc a répandu un grand nombre de débris dans l’espace circumterrestre.
Lancé le 14 septembre 1997, Iridium 33, parfaitement opérationnel, se trouvait sur une orbite pratiquement circulaire de 783,2 x 786,4 km inclinée à 86,4° (donc quasiment polaire). Iridium 33 a cessé d’émettre le 10 février 2009 à 10H56 TU, lorsqu’il a croisé la trajectoire de cadavre de Cosmos 2251. Celui-ci, lancé le 16 juin 1993, de conception russe, ne fonctionnait plus depuis une dizaine d’années et figurait donc sur la liste des épaves de l’espace.  La collision s’est produite à une altitude de 790 kilomètres, lorsque les deux objets se sont retrouvés sur la même trajectoire. Le choc particulièrement violent s'est produit à une vitesse relative de 42 120 km/h provoquant plus de  10 000 débris supplémentaires, de la taille allant de quelques millimètre à quelques centimètres.

La durée de vie d’un satellite, dépend surtout de ses réserves en carburant, or chaque manœuvre d'évitement orbitale réduit d’autant sa réserve.
La surveillance des débris est trop couteuse pour être menée de façon systématique sur tous les satellites actifs, c'est peut-être la raison pour laquelle le satellite américain n'a pas réalisé de manœuvres d'évitement le 10 février 2009. Bien qu’extrêmement rares, de telles collisions se sont déjà produites par le passé.
La première d’entre elles, mit hors service le petit satellite militaire français Cerise, en 1992, dont l’antenne fut sectionnée par un débris spatial.
Les débris spatiaux ont encore une longue vie devant eux avant que les chasseurs de débris entrent en service. La Station Spatiale Internationale de 275 tonnes, devra encore faire de nombreuses manœuvres d'évitements. Le projet de l’Onera a pour objectif de réduire la vulnérabilité des infrastructures et des missions spatiales vis-à-vis des débris spatiaux. Sept institutions et entreprises européennes spécialisées dans les technologies spatiales, participent à ce projet.

Un satellite, sur une orbite circulaire géostationnaire à quelque 36 000 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre, boucle un tour en 24 heures.
Comme cette période de révolution coïncide exactement avec celle de la Terre, on qualifie cette orbite de géosynchrone.
Si cette orbite est également dans le plan de l’équateur, le satellite se tiendra dans le ciel fixement au-dessus du même point, et l’orbite sera alors qualifiée de géostationnaire. Elle est parfois appelée orbite de Clarke ou ceinture de Clarke, du nom de l'auteur britannique de science-fiction Arthur C. Clarke qui, le premier, eut l'idée d'un réseau de satellites utilisant cette orbite. Les images longue pose du ciel de nuit prises avec des télescopes compensant la rotation terrestre peuvent également garder la trace des satellites géostationnaires pour lesquels le Soleil brille encore alors qu’au sol la nuit est tombée.

Ces satellites laissent dans le ciel des traces sur les images réalisées avec des montures compensant la rotation terrestre, ces trainées semblent suivre une autoroute à travers le paysage céleste. L'image ci-contre montre la ceinture d’Orion et ses fameuses nébuleuses. De nombreuses trainées de 2,5° de longueur apparente laissées par des satellites géostationnaires viennent rayer le ciel nocturne.

Image : Cette image à grand champ de la région quasi équatoriale d’Orion, montre l'autoroute céleste.
Les images en longue pose, du ciel de nuit, prises avec des télescopes qui compensent la rotation terrestre, peuvent également garder la trace des satellites géostationnaires pour lesquels le Soleil brille encore alors qu’au sol la nuit est tombée.
Crédit & Copyright: Babak Tafreshi (TWAN).