How worried should we be about noxious chemicals from dead satellites?

Pensez à la pollution et votre esprit pourrait évoquer des images de cheminées crachant de la fumée, de pots d’échappement de voitures et de ces écoulements d’égouts que vous voyez sur les plages. Ce qui ne me vient probablement pas à l’esprit, c’est la mésosphère, une tranche de ciel bien au-dessus de la hauteur de vol de n’importe quel avion. Et pourtant, un nombre croissant de scientifiques tirent la sonnette d’alarme : cela pourrait être le siège d’une nouvelle forme de pollution inquiétante.

Il y a actuellement plus de 15 000 satellites qui tournent autour de notre planète, et presque tous sont destinés à être désorbités, un euphémisme pour dire qu’ils vont brûler dans l’atmosphère. Ce faisant, ils libéreront des nuages ​​de métaux, de suie et de produits chimiques réactifs qui pourraient avoir des effets inquiétants, notamment endommager notre couche protectrice d’ozone. “C’est comme une mini-expérience de géo-ingénierie”, explique Eloise Marais, chimiste atmosphérique de l’University College de Londres.

Peu de scientifiques pensent encore que cela cause de graves dommages. Le problème est que cela pourrait bientôt l’être, car le nombre de satellites continue de monter en flèche. C’est pourquoi les chercheurs s’empressent désormais de comprendre ce problème et de déterminer exactement en quoi consiste cette nouvelle pollution, quels seront ses effets et ce que nous pouvons faire pour y remédier.

Au cours de la dernière décennie, la conception des satellites a été miniaturisée et leur coût de lancement a chuté grâce à l’essor des fusées réutilisables. Ces deux facteurs ont conduit au lancement d’un très grand nombre de satellites (voir graphique ci-dessous). Au premier rang d’entre eux se trouve la mégaconstellation Starlink, qui comprend actuellement environ 8 000 satellites utilisés pour fournir un accès Internet haut débit. Ces objets sont en orbite terrestre basse, la plupart à une altitude d’environ 550 kilomètres.

Le nombre de satellites devrait continuer à croître rapidement. Amazon développe un rival de Starlink appelé Project Kuiper, qui compte actuellement une centaine de satellites et l’autorisation d’en lancer quelque 3 000 au total. La Chine fait de même, avec l’intention d’étendre sa version, appelée Guowang, à 13 000 satellites. Additionnez tous les plans et il semble que l’orbite terrestre basse pourrait devenir beaucoup plus encombrée très rapidement. Certaines estimations suggèrent qu’il pourrait y avoir 70 000 satellites supplémentaires d’ici 2030.

Pourquoi cela pose-t-il un problème ? La durée de vie de ces satellites n’est souvent que d’environ cinq ans, en partie parce qu’ils sont conçus pour transporter une quantité limitée de carburant, dont ils ont besoin pour rester en l’air, et en partie parce que les opérateurs souhaitent continuer à moderniser leurs flottes avec des technologies plus récentes et plus performantes. Pour éviter que les anciens satellites n’encombrent l’espace proche de la Terre et risquent des collisions, ils les dirigent vers l’atmosphère pour les brûler.

Pour le moment, nous ne parlons pas d’une grande quantité de matériel. Selon l’Agence spatiale européenne, environ trois vieux satellites ou étages de fusées périssent chaque jour dans l’atmosphère. L’astrophysicien Jonathan McDowell du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian dans le Massachusetts, qui suit les lancements et les rentrées de satellites, estime qu’environ 900 tonnes de débris spatiaux pourraient se vaporiser dans la haute atmosphère chaque année. Cela équivaut à environ 5 pour cent de la masse injectée naturellement par les météoroïdes.

Pollution satellitaire

Cela ne semble peut-être pas inquiétant, mais les chercheurs s’inquiètent du cocktail de matériaux fabriqués par l’homme que les satellites laissent derrière eux. L’une des principales préoccupations est l’aluminium, qui constitue jusqu’à deux cinquièmes de la taille moyenne d’un satellite. Lorsqu’il est brûlé dans l’air, l’aluminium est converti en oxyde d’aluminium, communément appelé alumine. Nous savons depuis de nombreuses années que les particules d’alumine présentes dans l’atmosphère réagissent avec l’ozone et l’appauvrissent, le gaz connu pour absorber les rayons ultraviolets du soleil qui autrement seraient nocifs pour la vie. Dans les années 1990, des chercheurs ont découvert que l’alumine libérée par les propulseurs de fusées à poudre utilisés lors des lancements de navettes spatiales provoquait des trous d’ozone miniatures et temporaires dans la stratosphère quelques minutes après chacun de ces passages de fusées. De plus, l’alumine est réfléchissante et peut donc influencer la température atmosphérique. Nous savons qu’environ 10 % des particules d’aérosol dans la stratosphère contiennent de l’aluminium et d’autres métaux provenant de la combustion des satellites et des étages de fusées.

La désorbitation des satellites produit également du noir de carbone ou de la suie, qui absorbe directement la lumière du soleil et réchauffe ainsi l’atmosphère. Il est vrai que l’industrie au sol produit bien plus de suie que la pollution satellitaire, mais il existe une complication qui pourrait rendre cette dernière bien plus dommageable. Les satellites brûlent généralement dans la mésosphère, à une altitude de 50 à 80 kilomètres. On pense que les particules injectées ici peuvent potentiellement rester en circulation, se filtrant progressivement dans l’atmosphère pendant des années, en fonction de leur taille et de leur composition.

En descendant lentement vers la Terre, ils traversent la stratosphère, où réside la majeure partie de l’ozone protecteur de la planète, déclenchant potentiellement l’appauvrissement de la couche d’ozone. “La pluie nettoie assez rapidement la basse atmosphère”, explique Marais, “mais là-haut, elle est beaucoup plus propice à l’accumulation.” Une étude menée en 2022 par elle et ses collègues a estimé qu’en raison de sa longue durée de vie dans l’atmosphère, la suie émise à haute altitude par les fusées brûlant le type de carburant de fusée le plus courant pourrait avoir un effet de réchauffement jusqu’à 500 fois supérieur à celui émis par les voitures ou les avions de ligne. Nouveau scientifique a contacté Amazon et Starlink pour leur demander leur point de vue sur la pollution par satellite en général. Starlink n’a pas répondu et Amazon n’a fait aucun commentaire.

Les inventaires des émissions du secteur spatial suggèrent qu’avant 2020, les niveaux de pollution par les métaux et les suies dans l’atmosphère augmentaient d’environ 6 % par an, selon Conor Barker, l’un des collègues de Marais à l’University College de Londres. Mais des données plus récentes révèlent que ce type de pollution augmente désormais plus de trois fois plus rapidement. Cela pourrait avoir des conséquences dramatiques sur l’environnement terrestre. « Chaque année, nous constatons que ces émissions augmentent », explique Barker. “Surtout depuis 2020, la croissance a été assez forte et ne cesse de s’accentuer à mesure que nous voyons beaucoup plus de satellites lancés et désorbités et des fusées plus grosses pompant davantage de polluants dans la haute atmosphère.”

D’autres chercheurs s’intéressent à la modélisation des effets à grande échelle que ces polluants pourraient avoir sur le climat terrestre. Plus tôt cette année, une équipe de chercheurs dirigée par Christopher Maloney de l’Université du Colorado à Boulder a utilisé des simulations informatiques pour modéliser ce qui se passerait si le nombre de satellites à courte durée de vie en orbite dépassait 60 000 – bien dans les limites des prévisions existantes. Les chercheurs ont découvert que l’augmentation correspondante de la concentration d’alumine atmosphérique entraînerait un réchauffement de la mésosphère de 1,5°C, et qu’il y aurait également une réduction de 10 % de la vitesse des vents de haute altitude du vortex polaire de l’hémisphère sud.

Maloney souligne que ces résultats ne doivent pas être considérés comme une prédiction absolue. « Même si nous avons utilisé de l’alumine dans notre simulation, il n’y a même pas de consensus général sur le type de produits en aluminium que nous allons obtenir », dit-il. D’autres possibilités incluent le monoxyde d’aluminium et l’hydroxyde d’aluminium, qui peuvent être moins nocifs que l’alumine appauvrissant la couche d’ozone. Mais les résultats de son équipe suggèrent que la pollution par les satellites pourrait avoir un effet mesurable sur la dynamique de l’atmosphère.

Le chimiste atmosphérique John Plane de l’Université de Leeds, au Royaume-Uni, affirme que les prévisions existantes concernant la croissance de l’industrie spatiale suggèrent que la quantité de déchets spatiaux incinérés pourrait facilement être multipliée par 50 au cours de la prochaine décennie. Les scientifiques n’ont que quelques années pour anticiper le problème. «Ces processus doivent être explorés en laboratoire afin que nous disposions des données physico-chimiques nécessaires pour les modéliser correctement», dit-il.

Etudes en soufflerie

L’un de ceux qui font exactement cela est Stefan Löhle, qui dirige le laboratoire de soufflerie à plasma de l’Université de Stuttgart en Allemagne. Depuis 20 ans, lui et son équipe utilisent des souffleries pour garantir la survie des vaisseaux spatiaux à leur rentrée atmosphérique. Mais récemment, ils se sont intéressés aux satellites délibérément conçus pour une mort ardente, dans le but de bien comprendre le processus physique de désintégration.

À l’aide d’une soufflerie de 5 mètres de long, Löhle et ses collègues font fondre des morceaux d’aluminium dans un flux de plasma imitant les conditions de feu lors de la rentrée d’un satellite à des altitudes de 60 à 80 kilomètres. Ils comparent la lumière émise par les fragments du tunnel avec des mesures spectroscopiques de véritables ruptures de satellites obtenues depuis la Terre et à partir d’une poignée de campagnes d’observation aériennes menées ces dernières années. Ils modifient ensuite les conditions dans le tunnel jusqu’à ce que les spectres simulés correspondent à la réalité, puis analysent ce qui se passe en détail.

Bien que l’humanité brûle des objets dans l’espace depuis près de 70 ans, les observations des rentrées de satellites depuis la Terre et depuis les avions n’ont jusqu’à présent révélé que très peu de choses sur ce processus enflammé. Löhle affirme que la disparition du satellite commence à 120 kilomètres et s’achève en grande partie à 50 kilomètres au-dessus de la Terre. “Vous avez une structure en aluminium qui fond et forme des gouttelettes. Mais toutes ces gouttelettes ne s’évaporent pas complètement en oxydes d’aluminium. Certaines d’entre elles peuvent se condenser en particules solides, de taille nanométrique ou micrométrique, et simplement flotter jusqu’au sol où elles ne seront pas nocives.”

Comprendre la nature exacte de ces particules, leurs formes, leurs tailles et leurs interactions ultérieures avec l’atmosphère, tel est l’objectif de cette recherche. Cela, à son tour, éclairera le travail de modélisateurs tels que Barker, Marais ou Maloney, qui disposeront de données plus précises pour leurs études d’impact climatique.

Une économie circulaire dans l’espace

Les travaux de Löhle pourraient également contribuer à une solution possible au problème de la pollution par les satellites. En principe, le simple fait de changer la trajectoire d’un satellite lors de sa désorbite pourrait modifier la résistance de l’air qu’il subit et donc la façon dont il brûle, réduisant potentiellement la quantité et la composition des matériaux laissés sur place. L’une des prochaines étapes pour Löhle et son équipe consistera à expérimenter la modification des conditions dans la soufflerie pour imiter diverses trajectoires de rentrée et étudier ce qui se passe. Des études comme celle-ci pourraient ouvrir la voie à l’optimisation du processus de rentrée, estime Minkwan Kim, expert en astronautique de l’Université de Southampton, au Royaume-Uni, même si la meilleure stratégie n’est pas encore claire. “Des rentrées superficielles peuvent réduire la formation d’oxydes métalliques et produire davantage de vapeurs et d’aérosols métalliques”, dit-il. D’un autre côté, ils ont tendance à augmenter la production d’oxydes d’azote qui, comme l’oxyde d’aluminium, appauvrissent la couche d’ozone.

Il y a bien d’autres idées sur la table. Parmi eux se trouve un nouveau type de satellite en orbite très basse, propulsé par une propulsion électrique respirant l’atmosphère. Il s’agit d’une conception à un stade précoce, mais en principe, de tels satellites seraient capables de rester en l’air pendant de très longues périodes, en utilisant les gaz présents dans l’air pour les alimenter, ce qui signifierait beaucoup moins de désorbites nécessaires. Une startup basée à Reading, au Royaume-Uni, appelée New Orbit, développe des satellites dans ce sens.

Il faudra peut-être aller plus loin, en s’éloignant d’un modèle où les satellites sont jetables et en s’orientant vers une économie circulaire dans l’espace. L’idée serait que les satellites soient entretenus, modernisés, ravitaillés et, à terme, même recyclés en orbite. L’Agence spatiale européenne évoque déjà cette idée et travaille sur une mission appelée RISE, conçue pour démontrer la capacité de s’amarrer à un satellite géostationnaire et de contrôler son orbite. Ces orbites sont bien plus hautes que les constellations de satellites qui se développent rapidement, mais cela pourrait constituer un premier pas vers un ravitaillement en orbite. Il y a eu des spéculations selon lesquelles la Chine aurait déjà tenté de ravitailler un satellite en orbite.

La pollution par satellite n’est peut-être pas encore une menace sérieuse, mais pour Löhle, il n’est pas acceptable que les entreprises mettent cette préoccupation en veilleuse. «C’est un peu comme si nous y réfléchissions plus tard», dit-il. “Mais plus tard, c’est maintenant. Les matériaux que nous rejetons dans notre atmosphère peuvent avoir des impacts significatifs. Pourtant, nous avons à peine compris comment fonctionne la fragmentation des satellites.”