Nicholas Dallmann est ingénieur de recherche au Los Alamos National Laboratory, une installation du ministère de l’Énergie des États-Unis. Il a contribué à cet article pour les Voix d’experts de Space.com : Op-Ed & Insights. Le projet qu’il décrit est financé par la recherche et le développement dirigés du laboratoire de Los Alamos.
Dans le film « Gravity » de 2013, un débris spatial a failli tuer Sandra Bullock. Alors que cette histoire était très certainement une fiction (et une fiction sensationnelle en plus), la menace des débris spatiaux est réelle – si réelle que la NASA a un bureau entier consacré à leur suivi et à leur atténuation. Et l’année dernière a marqué la première conférence internationale entièrement consacrée aux débris orbitaux.
Il y a de bonnes raisons de s’inquiéter. Actuellement, environ 2 000 satellites opérationnels gravitent autour de la Terre – sans compter les 3 000 autres non opérationnels – et ce nombre devrait monter en flèche. Cette année, plus de 1 500 satellites sont prévus pour le lancement. (Comparez cela à 2018, où seulement 365 ont été lancés.)
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L’espace est peut-être grand, mais il est de plus en plus encombré, et c’est un vrai problème. L’orbite terrestre basse, ou LEO, où voyagent la plupart des satellites, est une ressource naturelle. Et tout comme les autres ressources naturelles, nous devons la gérer avec soin. Il suffit que quelques satellites entrent en collision pour déclencher l’effet Kessler : une réaction en chaîne emballement où plus de débris entraînent plus de collisions, ce qui pourrait non seulement endommager ou détruire pratiquement tous les engins spatiaux en LEO, mais aussi rendre cette partie de l’espace inutile pendant des décennies.
Mais que se passerait-il si vous pouviez manœuvrer les satellites sur une trajectoire de collision hors de danger ? Croyez-le ou non, ce n’est pas facile à faire. La plupart des satellites envoyés en LEO – en particulier les petits satellites et les cubesats – n’ont pas de système de propulsion car ils ont tendance à être lourds et coûteux. Ils présentent également un risque supplémentaire pour la fusée qui transporte le satellite dans l’espace, ainsi que pour toute autre charge utile qui s’y trouve. En effet, le système de propulsion le plus courant utilise du carburant liquide pour fusée, qui est extrêmement volatile. Si vous êtes un petit cubesat monté sur une fusée de plusieurs millions de dollars et que votre système de propulsion capricieux explose pendant le lancement ou le voyage dans l’espace, vous mettez fin à toute la mission. Vous parlez d’une mauvaise journée.
La solution la plus simple consiste à utiliser du carburant solide pour fusée à la place. C’est un combustible à forte poussée, beaucoup plus sûr et peu coûteux, et il peut être stocké pendant de très longues périodes. Mais le propergol solide présente un énorme inconvénient : Il ne peut pas être arrêté et redémarré. Une fois que vous l’avez allumé, vous avez une seule combustion. Et c’est tout. Et c’est un problème pour éviter les débris. Pour éviter une collision en changeant d’orbite, il faut au moins deux combustions indépendantes : l’une pour déplacer rapidement le satellite et l’autre pour le remettre sur son orbite correcte. Pour désorbiter le satellite, il est probable que vous ayez également besoin de plusieurs brûlages.
Au Laboratoire national de Los Alamos, nous travaillons pour changer cela. Nous avons récemment développé et démontré la capacité d’arrêter et de redémarrer les moteurs de fusées solides de nombreuses fois – ce qui n’a jamais été fait auparavant.
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Comment ça marche
Une fusée à poudre est simple, avec seulement quelques composants majeurs. Elle comprend une chambre de combustion contenant un système d’allumage et un propergol, et une tuyère d’échappement. Nous avons récemment développé un système de propergol plus sûr avec un combustible solide et un oxydant solide séparés. Cependant, afin de rendre notre système de fusée solide capable de s’arrêter et de redémarrer, nous avons dû développer un système d’allumage réutilisable et une façon réinitialisable d’éteindre une brûlure.
Pour l’allumage, nous avons remplacé la pyrotechnie traditionnelle par de l’eau. Avec notre système, un satellite serait lancé avec un petit réservoir d’eau inoffensive. Une fois en orbite et juste avant la mise à feu, un électrolyseur séparerait l’eau en hydrogène et en oxygène. Au moment de l’allumage, l’hydrogène et l’oxygène seraient rapidement injectés dans la chambre de combustion et allumés par une étincelle. La flamme qui en résulterait enflammerait le propergol solide.
Le défi suivant était de trouver comment éteindre la combustion. On sait depuis longtemps qu’une décompression rapide de la chambre peut provoquer de manière fiable l’extinction d’une fusée à propergol solide – mais comment le faire au mieux ? L’année dernière, nous avons mis au point une tuyère aerospike avec une zone d’étranglement modifiable. Une fois que la combustion a atteint le changement de vitesse souhaité, la zone d’étranglement est ouverte, ce qui décompresse la chambre et éteint la combustion. Lorsqu’une autre combustion de la fusée est nécessaire, la zone d’étranglement est remise dans sa position initiale. Répétez selon les besoins.
Nous avons récemment démontré de multiples brûlures indépendantes à partir d’une seule fusée solide dans des bancs d’essai statiques à Los Alamos. Le prochain obstacle sera une démonstration en orbite. Nous travaillons actuellement à affiner notre système et à rechercher une opportunité pour la démonstration.
Nous envisageons également de développer une charge utile isolée du satellite principal et qui contient sa propre alimentation, dispose de communications à faible bande passante avec le sol, dispose d’un contrôle d’attitude pour établir le pointage pour une combustion et est équipée de notre système de fusée solide. Avec cette charge utile, l’évitement des débris et la désorbitation pourraient éventuellement être effectués de nombreuses années après que le satellite ait atteint sa fin de vie.
Les fusées à propergol solide ne sont pas la réponse à tous les défis potentiels pour résoudre le problème des déchets spatiaux – mais leur simplicité, leur facilité d’adaptation à la taille de l’engin spatial, leur forte poussée et maintenant leurs multiples poussées indépendantes en font un excellent candidat pour éviter les débris orbitaux et la désorbitation. Notre espoir est qu’un jour, ces fusées monteront à bord de chaque satellite lancé dans l’espace – gardant LEO sûr et utilisable pour les millénaires à venir.
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