DEBRIS SPATIAUX = DANGER

DEBRIS SPATIAUX = DANGER

Article introduit en décembre 2008, revu sept 2011

| Solutions futuristes | Remorquage | Calculs sous forme d'un problème |

Précisons la notion de débris spatial. Classés en 2 catégories:

1 - Les débris d'origine humaine, essentiellement ceux provenant de l'exploitation de l'espace, à savoir des restes de lanceur, boulons, morceaux de métaux, éléments interétages, vieux restes de moteurs de l'époque où on les séparait des satellites, outils perdus par les astronautes lors des sorties extravéhiculaires, éléments de boucliers thermiques, éclats de peinture etc... Le pire cas est celui de l'explosion en vol d'un lanceur comme un Longue Marche chinois

Vous pouvez vous faire une idée de la distribution des débris pour les orbites basses ( LEO ) sur un site NASA

Certains de ces corps ont des durées de vie courtes comme les étages inférieurs des lanceurs, la coiffe ...D'autres ont une durée de vie de quelques jours ( en orbite basse ) à quelques milliers d'années ou plus pour ceux traînant en orbite géostationnaire ou les orbites intermédiaires GTO par exemple ou plus haut pour des débris issus des missions lunaires ou interplanétaires.

2 - Les débris planétaires :

a. Provenant de la formation du système solaire, comme les astéroïdes ou météorites ou encore les restes de comètes avortées.

b. Résultant du bombardement météoritique des planètes en formation, dans les premiers temps du système planétaire, avec arrachement de lambeaux de planètes sous l'effet des impacts. C'est ainsi que des roches martiennes peuvent atteindre la Terre.

3) Sites intéressants et significatifs :

http://jcboulay.free.fr/astro/sommaire/debri_spatiaux/page_debris.htm

I DEBRIS D'ORIGINE HUMAINE :

1°) Recencement :

Le NORAD recense avec le catalogue du North American Aerospace près de 10 000 objets dont la taille dépasse 10 cm. Pour les débris centimétriques une estimation en donne 200 000, enfin un institut allemand estime les millimétriques à quelques 300 millions .

Une surveillance s'impose, en particulier, pour pouvoir identifier une éventuelle incursion dangereuse d'un objet ennemi ou pour déjouer un choc

2°) Le danger est-il réel ?

Il suffit de regarder les applications pour comprendre que deux régions de notre environnement immédiat sont nettement polluées :

Celle des orbites basses de 200 à 2000 km d'altitude

Et bien évidemment l'orbite géostationnaire vers 36000 km.

a. Les chocs :

Ils sont responsables de la croissance exponentielle du nombre de débris, que ce soit des chocs avec une météorite ou des chocs de débris entre eux. Un petit débris rencontre un gros débris et c'est environ 100 petits débris nouveaux qui apparaissent.

1993 Hubble voit son antenne percée d'un trou de 1 cm de diamètre

1996 Un élément d'Ariane endommage le satellite Cerise

2001 manœuvre d'évitement de l'ISS menacée par un débris de 7 kg

2005 Choc entre un débris chinois et un lanceur US

Actuellement, la NASA vérifie plusieurs fois par jour que l'ISS n'est pas sous le danger d'un gros débris

b) Le danger nucléaire sur orbites cimetières:

Cette orbite "cimetière" se situe entre 700 et 1000 km d'altitude, un peu comme les satellites de surveillance militaire ou d'imagerie, ce que l'on appelle les HELIOSYNCHRONES. C'est aussi le domaine des constellations de satellites de positionnement.

Les russes y ont déposé 44 restes radioactifs de moteurs nucléaires séparés ou non de leur satellites, notamment les Cosmos.

La durée de vie est de l'ordre de 300 ans !!!!

c) Autre orbite cimetière, située 300 km au dessus de la géostationnaire ( durée de vie infinie ou presque ), voir ASTRA 1 . Bien sûr c'est le cas aussi des géostationnaires en fin de vie, pour peu qu'il leur reste un peu de carburant pour se "déorbiter" plus haut.

Donnons nous l'occasion de faire un petit calcul du coût propulsif. Partons de l'orbite géostationnaire ( a=42164 km) et transférons le satellite en fin de vie sur une orbite cimetière à 42164 + 300 km. Chacun sait que nous faisons un transfert d'Hohman en 2 impulsions, une au périgée et l'autre à l'apogée 12 h après, pour circulariser. Il paraît évident que ces impulsions sont quasiment identiques.

On utilise l'équation de l'énergie et un calcul différentiel.

Au final, le changement d'orbite coûtera 11 m/s.

d) Le danger pour les astronautes :

Lors de sorties extravéhiculaires, le scaphandre peut être transpercé par un micro débris et la dépressurisation peut entraîner la mort brutale.

La NASA n'arrête pas de changer le pare brise de ses navettes, suite à des impacts.

En 1964, le satellite Transit-SB doté d'un générateur radio-isotopique s'est désintégré au dessus de Madagascar avec 1 kg de plutonium-238.

d) Le préjudice industriel :

De nombreux débris à durée de vie quasi illimitée occupent l'orbite géostationnaire, mettant en péril les missions de satellisation ou les satellites eux-mêmes.

Le danger est encore plus évident pour les optiques des nombreux télescopes qui travaillent autour de la Terre, pour s'affranchir des aberrations et distorsions atmosphériques.

3°) Les débris vont-ils se multiplier?

a. Croissance :

On évalue chaque année à environ 299 le nombre d'objets injectés comme débris par les diverses missions spatiales. Depuis 1957 ( début de l'intrusion dans l'espace ) près de 5000 missions ont été réalisées.

Le nombre des missions va en croissant et les débris vont se multiplier à cause des collisions entre eux. La croissance est maintenant avérée exponentielle.

Un simple calcul d'énergie résume un choc: En orbite basse un satellite a une vitesse de 7.5 km/s environ, il peut croiser sur une orbite inclinée de 45° ( pour fixer les idées ) un autre satellite de vitesse semblable qui va dans le même sens. La vitesse relative d'impact est de l'ordre de 5700 m/s.

Si la malchance veut que les sens soient contraire, alors le croisement s'effectue à 13900 m/s. Prenons donc une moyenne de 11 km/s. Un débris de 10 g a une énergie cinétique de 1.21 millions de Joules, ce qui ramené à 140 km/h donne une masse équivalente de près de 180 kg. On imagine aisément les dégâts

b. Nettoyage naturel :

En dessous de 1000 km, la densité atmosphérique augmente quand l'altitude diminue, bien qu'elle soit très faible, son effet sur des corps en orbite, avec des vitesses de l'ordre de 7 à 8 km/s, est assez efficace pour faire descendre en spirale les débris, jusqu'à ce qu'ils brûlent. L'altitude conditionne la durée de vie.

c. Le nombre va t-il augmenter ?

Des études très solides de spécialistes, montrent que même si les nouvelles missions sont "propres" le nombre de débris va se régénérer et augmenter par le phénomène des collisions, surtout pot la zone 800-1600 km ( celle ou le nettoyage naturel n'est plus efficace). C'est donc un problème sérieux, puisque nombre de missions géostationnaires ou interplanétaires doivent traverser cette bande dangereuse.

4°) EVALUATION DU RISQUE ET PROTECTION :.

Laissons s'exprimer les spécialistes et allez donc voir :

Le site ESA : http://www.esa.int/esaCP/SEMR49SMD6E_France_0.html

Une réflexion sur notre environnement spatial : http://www.inapg.inra.fr/ens_rech/bio/biotech/textes/societe/ethique/espace/reflexio.htm

Le CEA pour la protection des optiques : http://www.inapg.inra.fr/ens_rech/bio/biotech/textes/societe/ethique/espace/reflexio.htm

Le CNES pour une bonne définition du débris : http://www.cnes.fr/web/257-quentend-on-par-debris-spatiaux-.php

5°) Comment se débarrasser des débris et mieux limiter leur prolifération ou les éviter?

L'idée la plus évidente est chaque fois que c'est possible, déorbiter le déchet vers l'atmosphère où il se désintégrera. Seul problème, le coût énergétique, d'autant plus élevé que l'altitude de l'orbite l'est.

Idée peut être viable, elle n'est pas de moi, le câble spatial, voir http://www.notre-planete.info/actualites/actu_628_pollution_espace.php

a. Blindage des satellites : solution lourde en masse utile donc très chère qui ne fera que limiter le nombre de débris. Cette technique ne se pratique que sur certains organes essentiels du satellite ( Radar-Miroirs-Télescopes )

b. Catalogue de suivi des débris : pratiqué par les USA ( avec opacité sécuritaire ), demandant une étude orbitographique des débris dangereux pour une mission donnée. Le CNES agit de même. On peut alors programmer une manœuvre d'évitement d'un débris. Le radar de veille spatiale GRAVES a permis des progrès dans cette voie.

c. Travailler plus "propre" : En clair l'industrie spatiale se doit de limiter les déchets, ou de les rapatrier, ou de les stocker sur orbite cimetière. Curieusement en 2007 les chinois en faisant exploser un de leur satellite ont crée entre 2 et 3000 débris. Les explosions volontaires sont pourtant interdites.

d. Rendre passifs les satellites : en fin de vie ou les étages en fin de mission doivent être hors danger d'explosion ( vidange de réservoirs et élimination des décharges électriques futures)

II LE DANGER DES ASTEROÏDES OU DES COMETES :

Le danger ici devient plus sérieux, puisqu'il engage l'avenir de la Terre ou des espèces qui y vivent et se transforment.

Rappelons qu'il y a 65 millions d'années une météorite énorme s'est écrasée au Mexique dans le Yucatan, provoquant probablement ( il y a débat sur diverses hypothèses ) une extinction massive des espèces ( Dinosaures en particulier ).

Plus près de nous le 18 mars 2004 une masse de 25 m de diamètre est passée à 43000 km de notre astre.

VOIR LE SITE "LA TERRE BOMBARDEE 2006" excellente plate-forme d'aiguillage sur le danger d'un impact et sa prise de conscience.

1°) GENERALITES :

Des centaines de milliers de petits objets, appelés astéroïdes GEOCROISEURS ont des orbites qui croisent celle de la Terre et représentent un danger potentiel évident. La plupart ne sont pas connus car non repérables aujourd'hui et un programme de surveillance et de détection SPACEGUARDSURVEY a été mis en place en 1998, avec pour objectif la caractérisation d'un millier de géocroiseurs de taille kilométrique.

Le classement international fait apparaître 3 catégories:

NEO	Near-Earth objects visiter un site dédié
NEC	Near-Earth comets Voir liste NASA avec les paramètres orbitaux
NEA	Near-Earth Asteroïds

LISTE DES GEOCROISEURS EN FRANCAIS :

LISTE DES NEO ( Near-Earth Objects):

PROBABILITE d'IMPACT AVEC DES NEO ( Source NASA )

2°) LE DANGER EST-IL REEL ET QUAND?

Rappelons qu'à l'époque de la formation de la Terre puis de la Lune, le bombardement météoritique était très intense et souvent catastrophique. Notre Terre n'en a pratiquement pas gardé de traces visibles à l'œil nu, à cause de l'érosion et du travail des océans. Par contre avec simplement de bonnes jumelles vous pouvez constater les cratères bien nets et nombreux, acec quelquefois un petit cratère au cœur d'un grand.

Une rencontre s'est elle déjà produite ces temps derniers, dans le système solaire? Réponse: En juillet 1994, oui et en direct celle de Jupiter avec la comète SL9 qui s'est brisée en morceaux avant le gigantesque impact.

http://www.jp-petit.org/OVNIS/SyntheseSL9_1.htm http://jmm45.free.fr/articles/docsjupi/slcoljup/slcoljup.htm http://www.astrosurf.com/luxorion/sysol-jupiter-sl9.htm

Plus loin pour nous, la météorite TUGUNSKA a dévasté 2000 km de forêt en 1908.

Le passé de la terre a laissé 160 cratères repérables sur 1500 probables.

Ce qui est clair et évident, c'est que la nature des dégâts dépend de la masse ( et donc du diamètre )de la météorite et bien sûr de sa vitesse relative à la terre qui se compte presque toujours en dizaines de km/s.

Diamètre moyen	Périodicité probable estimée en années	Dégâts et exemples
5 à 10 m	1 à 10	Celle de 10 m exploserait vers 10000 m
50 m	1 à 2 siècles	Suite à son explosion dans l'atmosphère, une petite ville peut disparaître;
100 m	5 à 10 000 ans	Une région de 10000 km² est dévastée et le nombre de morts se compte en centaines de mille. METEOR CRATER en Arizona ( Diamètre 1 km )
300 m	30000 ans	En plus des dégâts précédents décuplés, un tsunami planétaire est possible
500 m	200 000 ans	Des millions de morts et la possibilité d'une vague géante de 1000 m de haut. Cratère ZHAMANSHIN au KAZAKHSTAN
1500 m	800 000 ans	Disparition de la civilisation et évolution grave du climat, suite à la puissance de 100 000mégatonnes de TNT
10 km	150 10⁶ ans	Extinction des espèces comme il y a -( millions d'années avec l'impact de CHICXULUB au Yucatan

Il s'impose donc une conclusion: IL FAUT ABSOLUMENT REPERER LES NEO DE PLUS DE 100 m DE DIAMETRE. Qui plus est les géocroiseurs qui ont une orbite interne à celle de la Terre ( 2% d'entre eux ) ne sont pas visibles depuis la Terre :

1 - Car pour les voir il faut qu'ils soient éclairés par le Soleil.

2 - A contre jour du Soleil, les instruments sont éblouis. Un effort particulier devra être fait pour y remédier. Voir EUNEOS

Pour ce qui est des comètes, les spécialistes savent maintenant, qu'elles stationnent dans la ceinture de Kuiper et que sous l'effet d'une perturbation gravitationnelle des planètes géantes, elles peuvent "décrocher" et s'aventurer pour certaines à l'intérieur de l'orbite terrestre. Il y a alors danger, mais ce dernier peut être identifié plusieurs années à l'avance. Un rendez-vous est alors possible, comme il a déjà été fait avec la comète de Halley. Pour y faire quoi, c'est la question? Réponses possibles plus loin.

3°) ORIGINE DES ASTEROÏDES GEOCROISEURS?

Ils proviennent essentiellement de la CEINTURE D'ASTEROÏDES entre Mars et Jupiter.

Pourquoi sont-ils là? La réponse est aujourd'hui connue. Ces corps voient leur période se modifier lentement sous l'effet de la poussée exercée par le rayonnement solaire ( voir sur ce site la notion de poussée photonique ), jusqu'à tomber dans les résonance 3.1 ou 5:2 les plus courantes. Leurs orbites se modifient alors rapidement en devenant plus excentrique, ce qui conduit notamment à un périhélie interne à l'orbite terrestre. D'où le danger.... Surtout que Jupiter a tendance à les éjecter et la Terre à les garder comme géocroiseurs d'autant plus dangereux que leurs orbites évoluent sans cesse.

Combien? Le recensement ne connaît aujourd'hui qu'environ 140 géocroiseurs de plus de 150 m de diamètre moyen. Or il devrait exister au moins 20 corps de taille kilométrique et 350 environ de taille supérieure à 200 m.

Comment se calcule la probabilité d'impact? C'est bien là tout le problème car l'observation d'un géocroiseur, ne permet pas une grande précision sur les paramètres orbitaux, ces imprécisions donne une plage possible à chaque paramètre, et en testant toutes les orbites on peut évaluer la probabilité d'un risque d'impact.

Cette probabilité s'affine à chaque campagne d'observation, pour n'être plus que très petite ( on dira p=0 ) ou certaine ( p=1 )

Combien de temps avant? Quand il y aura certitude d'impact, les observations auront été tellement nombreuses que la prévision pourra être énoncée quelques dizaines d'années avant. C'est rassurant, à condition d'avoir repéré tous les géocroiseurs dangereux.

4°) REPERAGE DE TOUS LES GEOCROISEURS :

a. Ce qui existe :

A partir du sol, la communauté internationale a mis en place de nombreux projets dont LINEAR, avec 2 télescopes au Mexique, qui devraient dès 2008 recenser 75% des géocroiseurs kilométriques. Il manquera ceux qui sont à contre jour à cause du Soleil.

L'ESA propose en particulier un nouveau concept de surveillance à partir de l'espace, le projet EUNEOS qui s'affranchit du contre jour

Voir site particulier ESA :http://www.esa.int/esaCP/Pr_19_2003_p_FR.html

b. Détails du projet EUNEOS :

Un bon croquis en dira plus long qu'un long exposé. Retenons l'idée essentielle ---> OBSERVER LES GEOCROISEURS ECLAIRES PAR LE SOLEIL, SANS ETRE A CONTREJOUR DE CET ASTRE.

En effet, dans un champ de 270° d'ouverture le soleil éclaire les géocroiseurs et les instruments de la sonde EUNEOS ne sont pas éblouis. Le champ optique couvre une zone de 20° au dessus et au dessous de l'écliptique.

5°) DANGER IMMEDIAT (APOHIS ):

a) Parmi les PHA (Potentially Hazardous Asteroids ) recensés, 2004 MN4 de 400 mètres de diamètre passera à 37 500 km du centre de la terre en avril 2029.

Actuellement son demi grand axe est a = 0.923 UA mais après le tremplin sur la Terre en 2029, il aura a = 1.125 UA , il pourrait dangereux. Répertorié N°99942 on lui a donné le nom d'Apophis, dieu destructeur de la mythologie égyptienne.

La NASA a évalué le risque http://neo.jpl.nasa.gov/risk/a99942.html, donne les paramètres http://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb.cgi?sstr=99942;orb=1 à la date du 10 avril 2007

b) Source http://www.ueaf.net/actualites/eue_280.html

La NASA ont découvert un astéroïde qui aurait une chance (0.3 % ) de percuter la Terre en 2880, à 61000 km/h, créant un cratère de 18 km de diamètre et ( km de profondeur. Tsunamis prévus de 15 m de hauteur.

c) Possible collision avec Mars en 2008 :

Des scientifiques américains affirment que la planète Mars a une chance sur 75 d'être percutée par l'astéroïde 2007 WD5 le 30 janvier 2008. L'astéroïde qui se déplace à une vitesse de 12,8 km par seconde, pourrait former un cratère de 1000 m de diamètre et profond de 150 à 200 mètres.

L'astéroïde 2007 WD5 n'a été détecté que début novembre 2007.

III SOLUTIONS FUTURISTES POUR EVITER UNE COLLISION:

1°) QUELQUES SOLUTIONS :

Toutes ces solutions présupposent que très longtemps à l'avance ( plusieurs années ) on ait repéré l'astéroïde dangereux, de manière à pouvoir préparer la riposte, car les voyages interplanétaires ont des durées au minimum de quelques mois.

Donnons un résumé des solutions imaginées, mais non nécessairement réalisables dans un futur proche:

Produire une explosion nucléaire qui pulvériserait en morceaux l'astéroïde. Le fractionnement est garanti, mais la multiplicité des débris et leur trajectoire aléatoire rendent imprévisible le résultat.

Ablation de l'astéroïde par un faisceau laser de grande puissance ou miroir géant reflétant le soleil. La vaporisation des matériaux, d'après le principe de conservation de la quantité de mouvement, modifierait l'imulsion, donc la vitesse du corps. La difficulté consisterait à se maintenir au point fixe par rapport au corps durant un temps assez long. Probablement avec une consommation importante de carburant, qu'IL faudrait donc emporter en interplanétaire.

Déviation par un IMPACT massif à grande vitesse relative. Une des difficultés réside dans la précision du point d'impact qui doit créer essentiellement une modification de quantité de mouvement sans modifier beaucoup le moment cinétique ( énergie transmise en translation et non en rotation ).

NB : La mission DEEP IMPACT sur une comète commencera à débroussailler cette question, puisqu'elle pourra étudier les conséquences du choc avec un astéroïde.

EJECTEUR DE MASSE : le principe consisterait, après avoir bien étudié la nature de la roche de l'astéroïde, à s'agripper sur lui et à éjecter du matériau arraché au corps. Là encore, il y aurait modification de la quantité de mouvement donc de la vitesse. Naturellement ceci pourrait s'exécuter sur quelques années avant le risque de collision.

PEINDRE L'ASTEROÏDE avec une peinture réfléchissante en des endroits judicieux et utiliser la lumière du Soleil pour exercer sur un temps long, une poussée photonique. Problème : le nombre de pots de peinture est colossal et le "peintre" inconnu pour l'instant.

LE REMORQUAGE de l'astéroïde. Cette méthode présente l'avantage d'un contrôle fin de la force appliquée, mais l'inconvénient d'être gêné par la rotation éventuelle du corps. Difficulté également d'arrimage sur le corps. Reste à mettre au point le remorqueur et surtout les lanceurs capables de les envoyer vers l'astéroïde.

2°) ETUDE PLUS FINE DU REMORQUAGE :

Précisons que les valeurs numériques de base proviennent de la FONDATION B612 ( Voir Saint Exupéry ) qui a initié le projet de remorqueur

La détection est supposée 16 ans avec le choc.

Voilà quelques indications extraites du site http://www.planetarydefense.info/resources/pdf/durda.pdf

a. Hypothèses :

Le danger est un astéroïde, supposé équivalent sphérique de 200 m de diamètre, pratiquement homogène d'une densité allant de 1300 à 3000 kg/m3. Sa période est de 2 ans, avec un demi grand axe de 238 millions de km. Son orbite de collision traverse celle de la Terre que nous supposerons d'orbite circulaire.

L'idée de la manœuvre d'évitement est de faire prendre soit du retard soit de l'avance au bolide pour qu'il passe à coté de la terre, à une distance sol au minimum de 1 rayon terrestre, disons 6400 km.

La poussée du remorqueur est supposée tangente à l'orbite, ceci pour donner la puissance maximum. Elle sera pratiquée au périgée pour une efficacité maximale.

b) Résultats : Calculs à voir sur ce site

Nous les redonnons :

Rayon astéroïde 200 m	Masse astéroïde 10¹⁰ kg	Poussée 2.5 Newtons	Accélération 2.5 10^-10 m/s²
Débit 5.6 10^-4 kg/s	DV = 0.2 cm/s	Durée 93 jours	Masse d'ergols 4500 kg
Retard orbital 25 s / orbite	Ecart /Terre 6400 km	Retard sur 16 ans 200 s

Guiziou Robert décembre 2008, sept 2011