La surveillance de l'ESA s'appuie sur des radars et des télescopes. Les radars sont très efficaces pour caractériser les objets artificiels en orbite basse, de 250 à 1.000 kilomètres d'altitude. Au-delà, et jusqu'à 36.000 kilomètres, les télescopes optiques sont mieux adaptés. © P. Carril, ESA

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Astéroïdes, débris spatiaux, éruptions solaires : les projets de l’ESA pour protéger la Terre

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Devenus indispensables dans notre quotidien, les systèmes spatiaux sont confrontés aux risques croissants de collision avec des débris mais ils sont aussi sensibles aux phénomènes météorologie spatiaux. En Europe, l'Agence spatiale européenne (ESA) s'est dotée d'un programme ambitieux de surveillance du ciel. Avec Nicolas Bobrinsky, le responsable du programme de veille spatiale (SSA) à l'ESA fait le point sur les moyens dont dispose l'agence et les projets en cours pour améliorer cette surveillance.

Les utilisations de l'espace pour nos sociétés contemporaines sont devenues massives et permanentes. Elles sont également devenues indispensables dans la vie quotidienne des Européens et jouent un rôle essentiel dans la préservation de nombreux intérêts stratégiques. Pour garantir le bon fonctionnement de cette infrastructure spatiale, il est nécessaire de la protéger contre les dangers de l'espace.

Dans ce domaine, les capacités de surveillance du ciel, de détection de risque de collision, ou de rentrée dans l'atmosphère terrestre européenne, sont limitées. « Pour l'instant il n'est pas possible de détecter et de cataloguer des objets de moins de 40 centimètres sur une orbite à 800 kilomètres d'altitude avec les moyens disponibles, ce qui est insuffisant », explique Nicolas Bobrinsky, responsable du programme de veille spatiale (SSA, Space Situational Awareness) à l'Agence spatiale européenne. Autrement dit, l'Europe reste très dépendante des données américaines pour calculer les risques de collisions qui menacent ses satellites ou les tirs d'Ariane !

Une Europe dépendante

Bien que l'Agence spatiale européenne, certaines agences nationales et l'industrie européenne disposent de la technologie radar nécessaire, « des progrès significatifs restent à faire pour doter l'Europe d'un système performant de surveillance de l'espace, qui lui permettrait d'approcher les performances des systèmes américains ou russes ». Des développements nationaux sont en cours,  mais « un développement éventuel d'un radar multinational à l'échelle européenne permettrait une approche plus économique ».

Cela dit, la Commission européenne, qui finance Galileo et Copernicus, a conscience que les débris spatiaux sont devenus une « menace grave pesant sur la sécurité, la sûreté et la viabilité des activités spatiales » et qu'il y a une certaine urgence à « disposer de systèmes performants de sécurité des activités spatiales indépendants. »

Des investissements pour accroître l'autonomie de l'Europe

Dans ce contexte et dans le cadre du programme spatial pour la période 2021-2027, la Commission européenne envisage également de continuer à investir dans des activités de veille spatiale « de manière à accroître son autonomie en matière de prévention des collisions de l'espace et des rentrées incontrôlées d'objets spatiaux dans l'atmosphère terrestre en utilisant les moyens nationaux disponibles ».

Plus concrètement, l'ESA est engagée dans plusieurs projets de développement de radars et systèmes de laser : en Roumanie, elle travaille à améliorer un radar de poursuite ; en Espagne, elle participe au développement d'un radar de haute performance S3T. Enfin, elle développe un système laser qui sera « utilisé pour suivre des débris spatiaux avec une très grande précision, de l'ordre du centimètre ». L'impulsion laser retournée au sol permettra de déterminer « l'orbite de l'objet, sa vitesse et calculer s'il présente des risques de collisions avec des satellites actifs ».

À plus long terme, l'ESA réfléchit à utiliser un laser capable de « générer une pression photonique suffisante », de façon à amener un débris à changer d'orbite et « provoquer à terme une rentrée atmosphérique ». Elle planche aussi sur l'utilisation de cubesats et de petits satellites d'une centaine de kilogrammes et « conçus pour observer l’orbite géostationnaire depuis l'orbite basse ».

Les menaces des phénomènes météorologiques

Les débris spatiaux ne sont pas les seuls risques menaçants les infrastructures spatiales. Les phénomènes météorologiques spatiaux extrêmes résultant de l'activité solaire, les comètes ou encore les astéroïdes, notamment les géocroiseurs, « sont aussi des sujets d'inquiétude ». C'est pourquoi, l'Agence Spatiale Européenne prépare de nouvelles « activités pour surveiller ces phénomènes et mettre en place une capacité européenne autonome dans ces domaines critiques ». 

Dans le domaine de la météorologie spatiale, l'ESA prévoit de réaliser le satellite provisoirement baptisé L5 (Lagrange 5) en coopération avec la NOAA (l'Agence américaine d'observation océanique et atmosphérique), qui développe un satellite similaire mais positionné à Lagrange 1. L5 sera un satellite similaire à Soho, c'est-à-dire de surveillance du Soleil. Il embarquera 9 instruments dédiés à la météorologie spatiale. Son lancement est prévu en 2025.

Éviter un nouveau « Tcheliabinsk »

En ce qui concerne la détection des géocroiseurs, l'ESA est en train de finaliser le « développement du premier des deux télescopes Oeil de mouche - Fly-Eye telescope ». Le premier exemplaire sera déployé en Sicile dès fin 2020 et le second, si son financement est approuvé, sera installé au Chili. Ensemble, ces deux télescopes couvriront la totalité du ciel, à l'exception d'une zone aveugle autour du Soleil.

Dotés d'une très large ouverture (45 sqd), ils sont conçus pour effectuer la surveillance de tous les astéroïdes « de plus de 15 mètres se dirigeant vers la Terre avec une prévision d'impact d'environ trois semaines ». Aujourd'hui, moins de 1 % de cette population est cataloguée et suivie. Cette prévision d'impact à trois semaines est un délai « suffisamment long pour mettre en sécurité les populations concernées ».

Le but est d'éviter d'être surpris par un événement de type « Tcheliabinsk » quand, en février 2013, une météorite d'environ 15 mètres a explosé au-dessus de la ville de Tcheliabinsk, en Russie, provoquant d'important dégâts matériels et blessant environ un millier de personnes.

  • L'ESA, l'Agence spatiale européenne, dispose d'un programme de veille spatiale qui surveille les débris spatiaux mais aussi les géocroiseurs et l'activité de la météo spatiale.
  • Pour surveiller les débris de petites tailles, elle dépend des capacités de surveillance des États-Unis.
  • La Commission européenne a pris conscience du danger que représentent ces débris. Elle finance certains programmes de l'ESA. 
Pour en savoir plus

Débris spatiaux : quels sont les risques de collision ?

Article de l'ESA, publié le 07/04/2005

Evaluer le risque que posent les débris présents dans l'espace pour les satellites opérationnels n'est pas chose aisée et cette entreprise reflète le souci de la communauté spatiale internationale de définir l'étendue du danger pour les satellites et les vaisseaux spatiaux susceptibles de percuter des objets, parfois identifiés et suivis, mais aussi parfois non identifiés.

Au moins les objets identifiés ont le mérite d'être ... identifiés. Parmi ceux-ci figurent de vieux satellites, des étages de fusées et de gros fragments provenant d'explosions ou de collisions passées. « Il est désormais courant pour les satellites gravitant sur une orbite proche de la Terre de stocker plus de carburant pour les seules manoeuvres visant à esquiver les fâcheuses rencontres au cours de leur durée de vie opérationnelle », explique le Dr. Heiner Klinkrad, un spécialiste des débris au Centre des Opérations de l'ESA (ESOC) de Darmstadt, en Allemagne.

Petits objets mais grande menace

Mais évaluer le risque que constituent les débris de petite taille ou les météorites est une toute autre affaire en ce sens qu'il est très délicat, voire impossible de les suivre.

Les débris inférieurs à 1 mm de diamètre sont relativement inoffensifs. Les objets entrant dans cette catégorie ne sont pas sans risque mais un blindage protecteur, comme la technologie Whipple Shield, est suffisamment résistant pour en venir à bout. Toutefois le blindage n'est compatible qu'avec certaines missions, comme celles de la Station Spatiale Internationale (ISS).

Un panneau solaire du télescope spatial Hubble a été heurté par un débris, le trou visible fait 2.5 mm. (crédit : ESA)

Petits mais mortels

Entre 1 et 10 cm, ces objets se révèlent beaucoup plus dangereux et ce sont eux qui représentent le vrai problème. Ils sont trop petits et trop nombreux pour être individuellement répertoriés, mais pourraient endommager ou détruire n'importe quel satellite ou vaisseau qui les percuterait.

Pour évaluer le risque que représentent les débris de cette catégorie, les scientifiques de l'ESA et d'autres agences spatiales utilisent des modèles et des logiciels de probabilité. Le risque est ainsi mesuré en fonction de la section transversale du satellite, de son altitude orbitale, de sa trajectoire de vol et de biens d'autres facteurs.

A titre d'exemple, pour un satellite dont la section transversale (panneaux solaires compris) est de 100 m², placé sur orbite à 400 km d'altitude, il a été calculé que la durée moyenne devant s'écouler avant impact avec un débris de 10 cm est de l'ordre de 15 000 ans.

Une collision par décennie

Si ce chiffre semble au premier abord plutôt rassurant et même lointain, n'oublions pas le nombre extrêmement élevé de satellites placés sur orbite. Et comme l'explique le Dr. Klinkrad, "si l'on calcule la section transversale combinée de tous les satellites sur orbite, le temps moyen entre deux collisions destructrices est ramené à 10 ans".

Sachant que l'impact avec un débris de 10 cm est capable de pulvériser une sonde de plusieurs millions d'euros ou d'ébranler la Station Spatiale Internationale (habitée), le risque, ne serait-ce que d'un seul impact tous les dix ans, devient soudain très menaçant.

Les collisions destructrices se produisentEn 1993, la première mission de maintenance du télescope spatial Hubble a repéré un trou de plus de 1 cm de diamètre sur l'antenne à grand gain.

En juillet 1996, le microsatellite militaire français Cerise est heurté et sérieusement endommagé par - ironie du sort - un fragment de l'étage supérieur d'une fusée Ariane ; sous le choc, 4,2 mètres du mât de gradient de gravité, lequel sert à stabiliser le satellite, sont sectionnés.

D'autres collisions sont-elles à prévoir pour la décennie en cours ? Personne ne peut l'affirmer avec certitude, mais il convient de prendre toutes les mesures nécessaires pour limiter les risques.

Unité de recherche de débris spatiaux de l'ESA

Outre un système de détection de débris conçu par l'ESOC, une unité de recherche de débris spatiaux a été mise en place par l'ESA au Centre européen de recherche et de technologie spatiales (ESTEC) de Noordwijk, aux Pays-Bas, dédiée au segment spatial. Parmi ses attributions, citons :

  • le développement et le déploiement de détecteurs d'impact
  • Le développement et la mise à l'essai de nouveaux blindages
  • L'assistance qualité des nouveaux blindages
  • L'analyse d'impact sur du matériel récupéré
  • L'évaluation des dégâts occasionnés par des impacts

L'ESA n'est pas la seule agence à s'intéresser aux débris spatiaux. Le Dr. Toshiya Hanada, professeur agrégé au département d'ingénierie mécanique et aérospatiale de l'université de Kyushu, près de Fukuoka au Japon, tente actuellement de mettre au point des capteurs optiques capables de balayer les panneaux solaires des satellites afin de déceler les traces d'impacts. Une modélisation du milieu formé par les débris est également en cours. L'équipe du Dr. Hanada s'intéresse tout particulièrement à l'orbite géostationnaire terrestre. « Nous avons développé un modèle de l'évolution du milieu formé par les débris sur orbite géostationnaire. Nous avons également effectué des simulations d'impact à faible vitesse, à moins de 1,5 km/s, qui nous ont permis de modéliser les impacts sur les satellites sur orbite géostationnaire ».

Le problème posé par les débris ne laisse personne indifférent.

Un logiciel d'évaluation des risques désormais disponible

De retour à l'ESOC, le Dr. Klinkrad présente le logiciel d'évaluation des risques développé par l'ESA et une équipe externe travaillant sous sa direction. Baptisé DRAMA (Debris Risk Assessment and Mitigation Analysis), il s'agit d'un logiciel d'analyse de réduction des débris spatiaux et d'évaluation des risques liés à ces débris. Mis à la disposition de la communauté spatiale, il peut aider à évaluer le risque d'un impact sur une mission spécifique.

Malgré ces outils très performants, cette situation préoccupante n'est pas prête de s'améliorer, à moins d'adopter des mesures concertées, coordonnées et systématiques pour réduire ces risques que l'on comprend parfaitement aujourd'hui.

Les opérateurs doivent impérativement éviter la fragmentation délibérée et accidentelle de leurs satellites, y compris les explosions ou collisions délibérées et accidentelles, celles-ci générant la plus grande partie de débris impossibles à suivre et pourtant mortels.

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