Un câble électrodynamique pour désorbiter des satellites

Aujourd’hui, la prolifération des débris spatiaux est telle que le risque de collision avec des satellites en activité ne cesse de croître. Chaque jour, de nouveaux débris d’une taille suffisante pour être catalogués sont comptabilisés et d’autres disparaissent des radars de surveillance, devenus trop petits pour être détectés ou bien tombent et se consomment dans l’atmosphère terrestre

Le phénomène est pris très au sérieux par les agences spatiales, les opérateurs de satellites et les utilisateurs de l’espace. À ce problème de surpopulation s’ajoute celui de leurs diversités en dimensions et en positions. Du débris millimétrique à l’étage de lanceur, ils se trouvent en grand nombre jusqu’à 2.000 kilomètres au-dessus de la Terre mais la plupart se rencontrent aux altitudes inférieures à 1.700 kilomètres, avec deux pics vers 900 et 1.500 kilomètres. En clair, il n’existe pas de solution unique pour désencombrer l’espace de ces débris ou les retirer des orbites les plus occupées.

 

Vue artistique du dispositif Kite, qui s'apparente à une ancre spatiale, testé sur le cargo nippon HTV-6 de retour d'une mission de ravitaillement de l'ISS. © Jaxa

Vue artistique du dispositif Kite, qui s’apparente à une ancre spatiale, testé sur le cargo nippon HTV-6 de retour d’une mission de ravitaillement de l’ISS. © Jaxa 

De nombreux projets, parfois originaux et évoqués dans de précédents articles (pince gonflablevoile solairelaserRemoveDebris…) sont à l’étude pour se débarrasser des débris existants. Dernier projet en date, l’ancre spatiale Kite (Kounotori Integrated Tether Experiment) testée sur le cargo spatial nippon HTV-6 avec une autre expérience pour tester un nouveau modèle de cellules solaires à couches minces.

L’idée de l’EDT pour désorbiter sans carburant

Ce cargo, qui s’est désamarré de la Station spatiale internationale le 27 janvier 2017, devait utiliser ce câble électrodynamique expérimental de 700 mètres de long pour accélérer sa désorbitation plus rapidement et avec plus de précision. Comment ? Ce système expérimente un principe à l’étude, celui des EDT (Electrodynamic Tether), ou câbles électrodynamiques. En récoltant des électrons, ils transforment la charge portée par le câble en un émetteur d’électrons. Le courant produit le long du câble conducteur interagit avec le champ magnétique terrestre et produit une force (dite de Lorentz). Grâce à elle, le cargo nippon devait ralentir sa vitesse et donc avancer le moment de sa destruction dans l’atmosphère terrestre. Malheureusement, l’expérience a raté. D’après l’agence spatiale japonaise, la Jaxa, le filin ne se serait pas suffisamment déployé et la force générée a dû être faible. L’échec du test n’a pas empêché le cargo HTV-6 de se consumer dans l’atmosphère, légèrement plus tard que si son ancre avait pu être utilisée.

L’idée est bonne et d’ailleurs envisagée depuis longtemps (voir plus bas). Ce n’est donc que partie remise et une autre tentative pourrait être réalisée en 2020. Comme le souligne Thomas Pesquet aux commandes du bras robotique qui a détaché le cargo de la Station, « ce genre de technologie devrait nous être très utile pour les satellites du futur : on pourra s’assurer qu’ils ne restent pas en orbite autour de la planète une fois devenus obsolètes, mais qu’ils se désintégreront dans l’atmosphère ». Si à terme ce procédé s’avère efficace, l’idée est d’équiper les futurs satellites d’un tel système, notamment ceux qui évoluent sur les orbites les plus basses et les plus encombrées.

 

Schéma de la désorbitation par EDT. Le satellite en fin de vie (debris) déploie un câble conducteur nu (Bare tether) lesté d'une masse (End-mass), elle-même conductrice. Des électrons (e-) sont piégés et rejoignent la masse de lest, qui devient un émetteur d'électrons (Electron emitter). Il se crée donc un courant (Current). Parce qu'il se déplace dans un champ magnétique (celui de la Terre, Geomagnetic field), le câble subit une force de Lorentz (en rouge). Si la trajectoire de l'engin (Flight direction) est convenablement orientée par rapport au champ magnétique, cette force freine le satellite. © Jaxa

Schéma de la désorbitation par EDT. Le satellite en fin de vie (debris) déploie un câble conducteur nu (Bare tether) lesté d’une masse (End-mass), elle-même conductrice. Des électrons (e-) sont piégés et rejoignent la masse de lest, qui devient un émetteur d’électrons (Electron emitter). Il se crée donc un courant (Current). Parce qu’il se déplace dans un champ magnétique (celui de la Terre, Geomagnetic field), le câble subit une force de Lorentz (en rouge). Si la trajectoire de l’engin (Flight direction) est convenablement orientée par rapport au champ magnétique, cette force freine le satellite. © Jaxa 

POUR EN SAVOIR PLUS

Un câble électrodynamique pour désorbiter des satellites

Article de Rémy Decourt publié le 13/04/2014

En orbite, les débris spatiaux sont de toutes tailles, de sorte qu’il n’est pas possible d’envisager un système unique pour s’en débarrasser. Pour désorbiter les plus grands, des chercheurs financés par l’Union européenne veulent explorer un concept original : le câble électrodynamique.

À qui sait bien chercher, le septième programme-cadre européen de recherche et de développement technologique (FP7), principal instrument financier européen de soutien à la recherche, regorge d’une multitude de projets en tout genre et dans tous les domaines, dont le spatial. Plusieurs de ses projets sont dédiés à la problématique des débris dans l’espace. Certains ont déjà fait l’objet d’un article sur Futura-Sciences (Revus, Cleanspace, P2rotect). Aujourd’hui, nous découvrons le projet Bets (propellantless deorbiting of space debris by bare electrodynamic tethers) pour développer le concept de câble électrodynamique devant désorbiter des satellites.

Les débris spatiaux sont une préoccupation majeure pour la plupart des agences spatiales dans le monde, et l’Union européenne s’en soucie également, car nos modes de vie dépendent de l’espace bien plus qu’on le pense. Elle veut notamment protéger ses investissements : l’Europe injecte ainsi près de 12 milliards d’euros dans les technologies spatiales. Le budget de l’Agence spatiale européenne est d’un peu plus de quatre milliards d’euros, et la Commission européenne va consacrer pour la période 2014-2020 près de 4,3 milliards pour le programme Copernicus d’observation de la Terre et plus de 7 milliards pour Galileo, le système européen de navigation par satellite.

 

Pour désorbiter un satellite en fin de mission, des chercheurs travaillent sur un concept de câble électrodynamique qui pourrait les tirer dans l'atmosphère terrestre. © Esa, P. Carril

Pour désorbiter un satellite en fin de mission, des chercheurs travaillent sur un concept de câble électrodynamique qui pourrait les tirer dans l’atmosphère terrestre. © Esa, P. Carril 

Utiliser le champ magnétique terrestre pour décrocher des débris spatiaux

Parmi les nombreuses idées pour débarrasser l’orbite basse de ses débris les plus gros, une équipe internationale, sous la responsabilité de l’université polytechnique de Madrid, développe une nouvelle technologie exploitant le champ magnétique de la Terre pour désorbiter les débris artificiels sans propulseur ni alimentation électrique. L’idée est d’installer un système sur chaque nouveau satellite qui fournirait une poussée ou une traînée afin de les attirer magnétiquement dans l’atmosphère. Concrètement, un câble électrodynamique serait déployé sous un satellite. Parcouru d’un courant électrique, ce câble induirait des forces de freinage qui amèneraient le déchet à descendre vers l’atmosphère.

Un tel système d’attache se compose de deux objets en orbite reliés par un câble conducteur qui se déplace à travers le champ magnétique de la Terre. Lorsqu’un fil conducteur se déplace dans un champ magnétique, un courant est produit et le champ magnétique exerce une force sur le fil dans le sens opposé à son mouvement. Dans ce cas, la traînée est produite sur l’attache. L’ionosphère conductrice complète le circuit de flux d’électrons à l’intérieur et en dehors du fil.

Bets n’est donc pas un dispositif pour aller récupérer des débris existants pour les désorbiter (un problème différent pour lesquels les Japonais ont un projet). Tout l’intérêt de son utilisation est qu’il sera utilisé pour désorbiter des étages de lanceur ou des satellites en fin de mission ou de vie. Un bon point quand on sait que ces débris de grandes tailles, bien qu’étant les moins nombreux, peuvent générer par collision une cascade d’autres collisions, augmentant de manière incontrôlée le volume des débris spatiaux (syndromede Kessler).

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