Des déchets au-dessus de nos têtes ? La problématique des débris spatiaux

Que sont les débris spatiaux ? Quelle pollution représentent-ils ? Sont-ils dangereux ? On vous explique.

Ils sont invisibles à l’oeil nu et présents par milliers plusieurs centaines de kilomètres au-dessus de nous : ce sont les débris spatiaux. Depuis le début de la conquête spatiale en 1957, l’espace s’est transformé en véritable poubelle.

La population de ces débris ne cesse d’augmenter. Elle est alimentée, entre autres, par les collisions entre eux, très violentes car ils se déplacent à environ 28 000 km/h, mais aussi par les lancements de satellites et de fusées (5 000 depuis 1957).

Ils représentent une réelle menace pour les équipements spatiaux actifs, mais aussi pour l’avenir de la conquête spatiale puisque la vie des astronautes est mise en danger. La station spatiale internationale doit chaque année effectuer des manoeuvres pour éviter ces objets.

Quelle est l’envergure du problème des débris spatiaux ? C’est ce que nous allons voir dans cet article.

Que sont les débris spatiaux ?

Débris spatiaux : un bref aperçu des objets au-dessus de nos têtes

La taille et la quantité des objets

Selon les estimations datant de 2019, environ 20 000 gros objets de plus de 10 cm soit de la taille d’un pamplemousse sont connus et catalogués. Cependant, on estime qu’il y en aurait environ 34 000 en tout. Ce serait 5 400 pour les débris de plus d’un mètre.

Les petits objets sont bien plus nombreux. On recense environ 900 000 débris de plus de 1cm et 130 millions de plus de 1 mm.

La taille des débris n’est pas proportionnelle à l’importance des dégâts causés selon le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES), qui explique qu’un objet de 1 cm de diamètre aura la même énergie qu’une berline lancée à 130km/h.

Un des plus gros débris spatiaux actuellement en orbite est le satellite en panne Envisat, qui pèse huit tonnes et qui pourrait continuer de tourner autour de la Terre pendant 150 ans.

La localisation de ces objets dans l’espace

Le CNES explique qu’ils se situent majoritairement dans deux zones :

• en orbite basse (entre 700 et 1 000 km d’altitude), qui permet l’observation de la Terre, l’étude de l’environnement et la météorologie. On l’appelle aussi la zone LEO (Low Earth Orbit).
• en orbite géostationnaire (à 36 000 km d’altitude), utilisée pour les télécommunications et la défense, appelée GEO (Geostationary Earth Orbit).

D’où ces déchets spatiaux proviennent-ils ?

Ce sont majoritairement des fragments, mais on retrouve aussi des satellites non fonctionnels, des vieux étages supérieurs de fusées, ou des débris issus d’autres opérations. Parmi l’ensemble des objets dans l’espace, seuls 10% sont fonctionnels, le reste sont des débris.

Et leur nombre ne cesse d’augmenter de manière incontrôlable.

La croissance exponentielle des débris spatiaux depuis 1957

Des événements qui ont significativement augmenté la quantité de débris spatiaux

En 2009, le satellite russe hors d’usage Kosmos-2251 a percuté en le satellite parfaitement fonctionnel Iridium-33. C’est la première collision entre deux satellites, et l’accident a occasionné plus de 600 débris spatiaux.

Cependant, l’une des pires génération de débris provient de l’essai par la Chine d’un de ses missiles anti-satellites, pour démontrer sa puissance militaire. En détruisant le satellite Fenguyn-1C en 2007, 2300 gros débris ont été générés, ainsi qu’environ 35 000 débris d’au moins 1 cm, et plus d’un million de débris de taille millimétrique.

On peut encore citer l’explosion volontaire du satellite USA 193 en 2008, car selon la le ministère de la défense américain, il menaçait de retomber sur Terre, présentant un risque de pollution à cause d’un réservoir rempli de 450 kilos d’hydrazine, produit hautement toxique. Pourtant, d’autres pays comme la Russie ont vu dans cette opération une démonstration militaire.

Quoi qu’il en soit, ces événements ont accru le nombre de débris, et favorisent une réaction en chaîne mise en évidence par Donald Kessler.

Le syndrome de Kessler ou la théorie de la régénération des déchets spatiaux

Ces visuels montrent l’évolution de la quantité de débris en 60 ans.

Cette augmentation a été théorisée par Kessler en 1978. Il affirme que la collision des débris entre eux auto-entretient leur population à un rythme plus élevé que celui de leur élimination. Lorsqu’ils entrent dans l’atmosphère, les débris fondent sous l’action de la vitesse et de la friction. C’est de cette manière qu’ils s’éliminent.

En 2018, on recensait 588 entrées de débris en orbite pour 233 sorties d’objets consumés dans l’atmosphère. Aujourd’hui, la masse totale en orbite est d’environ 8 000 tonnes soit celle de la Tour Eiffel.

Ainsi, le point de non retour a été atteint : la génération de débris est supérieure au nettoyage orbital. Même si on arrêtait complètement l’activité spatiale, rien que la collision entre objets ferait que que la population de ces objets augmenterait. Ce scénario est notamment à la base du film Gravity.

Pourquoi les déchets spatiaux posent-ils problème ?

Le risque n°1 pour les astronautes

Les débris se déplaçant à environ 28 000 km/h, ils représentent une menace pour l’intégrité des hommes de la station spatiale internationale.

Si le blindage de la station résiste aux petits objets, ce n’est pas le cas des plus gros, qui forcent les astronautes à manoeuvrer pour les éviter. Trois manoeuvres ont dû être réalisées depuis le début de l’année. En effet, les débris de plus de 10 cm sont catalogués pour permettre d’anticiper tout éventuel accident.

L’ISS se situe entre 350 et 360 km d’altitude, une zone basse dans laquelle le nettoyage naturel est efficace. Les risques sont donc faibles. Cependant, s’il y avait un impact, les conséquences seraient catastrophiques.

Des conséquences économiques pour les satellites

Une collision en orbite peut détruire un satellite actif, ce qui pose un problème économique. En effet, des milliards de dollars d’équipements de veille météorologique, de systèmes de navigation et de communication sont en jeu.

Aujourd’hui, la probablilité qu’un satellite d’observation de la Terre soit détruit est de 3 à 5% au cours de sa durée de vie.

Pour le moment, il n’a pas été défini de seuil acceptable, mais puisque le mécanisme de récation en chaîne est à l’oeuvre, la population de débris augmente, ce qui accroit les risques. 

Un danger pour les terriens

Ces objets subissent plusieurs actions lorsqu’ils entrent dans l’atmosphère. D’une part, il sont brûlés… mais plus ou moins bien. Par exemple, l’aluminium fond très bien mais le titane survit mieux.
D’autre part, ils sont freinés et la mécanique spatiale montre que lorsqu’un objet est freiné, il descend.

C’est ainsi que des débris spatiaux regagnent la Terre. 1 à 2 objets de plus de 10 cm rentrent chaque jour, et un objet intègre c’est-à-dire un satellite ou un étage supérieur de fusée rentre chaque semaine de façon incontrôlée.

Par exemple, en mai 2020, le plus gros débris spatial depuis 30 ans est tombé sur Terre. Un vestige d’une fusée chinoise de près de 18 tonnes !

Ces débris peuvent-ils nous tomber sur la tête ?

Il est difficile de prédire avec précision le point d’impact ainsi que la date, mais des calculs sont effectués pour protéger la population. 10 jours avant la rentrée, la précision est de plus ou moins 1 jour.

Pour l’instant, on ne déplore aucune victime. Les risques sont en effet relativement faibles : seulement 3% de la surface du globe est considérée comme densément peuplée. 71% est recouverte par les océans, et les déserts occupent 1/3 des 29% de surface terrestre.

Comment limiter le nombre de débris spatiaux ?  

La police de l’espace

Légiférer pour limiter le nombre de débris spatiaux

Il n’existe pas de jurisprudence internationale en matière spatiale. En revanche, on a des grandes règles destinées à limiter la pollution spatiale. Elles ont été proposées par la NASA en 1995, reprises par le Japon en 1997 puis par le CNES pour la France en 1998.

Ces règles ont donné naissance au premier texte international, publié en 2002 par l’Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) et approuvé à l’unanimité des onze agences spatiales majeures. Ce texte a été étendu, en mai 2011, à toutes les activités spatiales, qu’elles soient institutionnelles ou privées, via la norme ISO 24113 (International Organization for Standardization).

Voici donc les grandes orientations de ces textes :

1) L’interdiction de générer volontairement des débris, et de détruire volontairement des satellites dans l’espace.

2) La mise en œuvre de tous les moyens possibles pour éviter l’explosion en orbite. Lorsqu’un satellite ou un étage de fusée arrive en fin de vie, il faut le vidanger c’est-à-dire vider le carburant ou la pressurisation sinon il finit souvent par exploser. Cela implique d’avoir prévu cette opération lors de la conception.

3) L’interdiction de rester plus de 25 ans en orbite basse ou en orbite géostationnaire après la mission. Ces 2 orbites sont les plus concernées par la prolifération de débris spatiaux.

4) L’évitement au maximum les collisions, ce qui est possible lorsque l’un des objets est actif et manoeuvrant.
En plus de limiter le nombre de débris, cela évite la perte de satellites opérationnels. Le centre d’orbitographie opérationnelle du CNES surveille ce trafic incessant, à l’aide de nombreux moyens radars et téléscopes.

5) La protection des populations au sol. Dans les cas où l’on ne peut éviter un retour au sol des débris, privilégier la désorbitation contrôlée dans une zone non peuplée.

Les limites de l’encadrement par la loi

Malheureusement, la réglementation est mal suivie. La France est le seul pays à avoir une loi qui traite des débris spatiaux : il s’agit de la loi sur les opérations spatiales de 2008.

Il semble aujourd’hui primordial qu’un texte international contraignant soit adopté afin d’imposer des règles homogènes plus respectueuses relatives à la non-production de débris et à la limitation des risques de collision.

Il existe encore un vide juridique, notamment sur la responsabilité en cas de dommage causé à un tiers ou en cas de collision.

Déchets spatiaux : des solutions pour dépolluer l’espace ?

Aucune méthode viable n’existe aujourd’hui pour la récupération des débris spatiaux. Cependant, les propositions sont nombreuses pour nettoyer l’espace, à l’instar de celles dans le cadre du projet Stardust financé à hauteur de 4 milliards d’euros par l’UE et auquel participe la NASA et des universités du monde entier. Il vise à lutter contre cette menace en mettant au point des stratégies pour dévier ou éliminer ces débris spatiaux.

Voici des pistes de solutions proposées…

Le retrait actif des débris de l’espace

Cette solution a notamment été évoquée lors d’une conférence internationale à Washington en 2009 avec la NASA et la DARPA (Agence pour les projets de recherche avancée de défense).

Les moyens techniques sont nombreux :

-sans contact, par exemple en soufflant sur le débris avec un moteur électrique ;
-utilisation de techniques issues de la pêche comme des harpons, des filets, etc. ;
-envoi d’engins avec des surfaces aimantées pour attirer les débris ;
-équiper un engin chasseur d’un bras robotique pour capturer les débris.

L’objectif serait de les faire redescendre dans l’atmosphère pour qu’ils fondent, ou de les remorquer pour les déplacer dans une orbite moins fréquentée. Cette piste est largement explorée avec les Space Tugs, appelés aussi remorqueurs de l’espace.

Déchets dans l’espace : repenser la conception

Il s’agirait de prendre en compte la problématique des débris spatiaux à la conception des engins envoyés dans l’espace.

Par exemple, on pourrait doter l’engin concerné d’une réserve finale de carburant. Arrivé en fin de vie, ce carburant supplémentaire lui permettrait de quitter son orbite et d’être précipité dans l’atmosphère terrestre pour fondre.
On pourrait aussi doter l’engin d’un dispositif qui lui permettrait de détecter et donc d’éviter les débris spatiaux environnants. 
Une autre solution évoquée serait de blinder les satellites.

Le recyclage en orbite

Cette autre approche consisterait à envoyer des engins dans l’espace qui répareraient les satellites non fonctionnels considérés comme des débris.

D’autres imaginent plutôt des engins qui pourraient découper la tôle des débris en orbite pour blinder d’autres objets encore en service.

Les limites de ces solutions

Des problèmes se posent notamment sur le plan technique : il y a énormément de choses que les ingénieurs et experts ne savent pas faire. De plus, il s’agit de capturer ou d’attirer des objets non coopératifs c’est-à-dire qui peuvent être en mouvement et dangereux.

D’un point de vue financier, ces solutions sont généralement très coûteuses. Par exemple, le blindage d’un satellite double le poids et le prix de ce dernier.

Quel avenir pour la conquête spatiale ?

Aujourd’hui, on parle de Space Traffic Management (STM) pour évoquer la gestion du trafic spatial.

Cette gestion est essentielle à l’heure où des entreprises comme SpaceX souhaitent favoriser l’accès à Internet à travers le monde en envoyant 12 000 satellites dans l’espace dans le cadre du projet Starlink.

Gardons en tête que l’espace autour de la Terre est une ressource comme une autre. L’avenir de la conquête spatiale dépend en partie de notre capacité à en prendre soin.