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Jul 08, 2023

Les faisceaux tracteurs spatiaux ne sont peut-être pas l'étoffe de la science-fiction

1 juin 2023 Cet article

1 juin 2023

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par Daniel Strain, Université du Colorado à Boulder

Le 10 février 2009, une catastrophe a frappé des centaines de kilomètres au-dessus de la péninsule sibérienne. Ce soir-là, un ancien satellite russe en orbite autour de la Terre s'est écrasé sur un satellite de communication appelé Iridium 33 se déplaçant à une vitesse de milliers de miles par heure. Les deux engins spatiaux ont éclaté en une pluie d'éclats d'obus, envoyant plus de 1 800 morceaux de débris en spirale autour du globe.

Aucun autre vaisseau spatial (ou humain) n'a été blessé, mais pour de nombreux ingénieurs aérospatiaux, l'événement était un signe des choses à venir. L'espace, semblait-il, devenait bondé.

La NASA estime qu'environ 23 000 morceaux de débris de la taille d'une balle de softball ou plus tourbillonnent actuellement dans l'espace. Tous ces déchets signifient qu'une autre collision comme celle qui a détruit Iridium 33 devient de plus en plus probable chaque année, mais cette fois, les retombées pourraient être bien pires.

"Le problème avec les débris spatiaux, c'est qu'une fois que vous avez une collision, vous créez encore plus de débris spatiaux", a déclaré Julian Hammerl, doctorant en sciences de l'ingénierie aérospatiale à CU Boulder. "Vous avez une probabilité accrue de provoquer une autre collision, ce qui créera encore plus de débris. Il y a un effet de cascade."

Hammerl et une équipe dirigée par le professeur Hanspeter Schaub ont un plan pour arrêter ces cascades avant qu'elles ne commencent. Les chercheurs s'appuient sur l'un des plus anciens tropes de la science-fiction : les faisceaux tracteurs comme ceux que le Starship Enterprise utilise pour éloigner les astéroïdes en toute sécurité.

Imaginez ceci : dans un avenir pas si lointain, une flotte de petits vaisseaux spatiaux pourrait tourner autour de la Terre, rencontrant des morceaux de métal morts en orbite géosynchrone autour de la planète. Ensuite, à l'aide d'appareils appelés "faisceaux d'électrons", ces camions-bennes spatiaux transporteraient lentement ces débris en lieu sûr sans jamais avoir à les toucher, tout en puisant dans le même type de physique qui fait que vos chaussettes collent à votre pantalon dans la sécheuse.

"Nous créons une force électrostatique attractive ou répulsive", a déclaré Schaub, président du département Ann et HJ Smead des sciences de l'ingénierie aérospatiale. "C'est similaire au rayon tracteur que vous voyez dans Star Trek, mais pas aussi puissant."

Tout d'abord, Schaub et ses collègues doivent résoudre une série de défis, qu'ils ont décrits dans de nombreuses études récentes. Les chercheurs, par exemple, utilisent une nouvelle installation pour reproduire l'environnement étonnamment complexe autour de la Terre. Ils envisagent également comment les faisceaux tracteurs pourraient un jour éliminer les débris de la région de l'espace entre la Terre et la Lune.

"Toucher des objets dans l'espace est très dangereux. Les objets se déplacent très rapidement et souvent de manière imprévisible", a déclaré Kaylee Champion, doctorante travaillant avec Schaub. "Cela pourrait ouvrir de nombreuses voies plus sûres pour l'entretien des engins spatiaux."

Champion et ses collègues chercheurs explorent ces avenues maintenant à partir d'un laboratoire avec vue sur les Flatirons sur le campus est de l'université.

Une poignée d'étudiants se regroupent autour d'un cylindre de la taille d'un baril de whisky. Il est fait d'une épaisse couche d'acier inoxydable avec plusieurs fenêtres en forme de hublots pour jeter un coup d'œil à l'intérieur. Cette chambre à vide, appelée Laboratoire de charge électrostatique pour les interactions entre le plasma et les engins spatiaux (ECLIPS), est désormais ouverte à sa base. Mais avec un bourdonnement de moteur, le cylindre s'abaisse lentement jusqu'à ce qu'il se ferme.

Bientôt, une pompe commencera à dépressuriser la chambre. Dans environ une journée, il ne restera plus d'air à l'intérieur - une petite poche d'espace en plein milieu de Boulder. Schaub et son équipe ont conçu la chambre eux-mêmes, et elle ne ressemble à aucune autre installation de recherche dans le pays.

Cet espace en miniature occupe une place centrale dans les expériences du groupe avec des tracteurs électrostatiques. À l'intérieur, le groupe peut reproduire l'environnement autour de la Terre, qui n'est pas vide mais plutôt inondé d'un mince gaz d'électrons libres et d'atomes chargés appelé plasma. Le groupe peut même simuler des débris dans cette chambre à l'aide de cubes ou de formes plus complexes en métal.

Aujourd'hui, les chercheurs tentent d'imiter les conditions dans ce que Schaub a appelé une "zone immobilière coûteuse" dans l'espace.

L'orbite géosynchrone de la Terre, ou "GEO", commence à environ 22 000 miles de la surface de la planète, loin de l'orbite terrestre basse, ou "LEO", où Iridium 33 a rencontré sa disparition. Vous y trouverez certains des satellites les plus chers jamais construits - des engins spatiaux militaires et de télécommunications qui atteignent la taille d'autobus scolaires et pèsent bien plus d'une tonne.

"GEO est comme le Bel Air de l'espace", a déclaré Schaub.

Il y a aussi du monde. Les ingénieurs estiment qu'il existe environ 180 places de stationnement orbitales géosynchrones potentielles où les satellites peuvent se faufiler. Tous ont été revendiqués ou sont déjà occupés.

Les faisceaux tracteurs, a déclaré Schaub, pourraient être en mesure de déplacer en toute sécurité les anciens engins spatiaux, faisant de la place pour la prochaine génération de satellites.

Pour Hammerl, le projet de recherche en est un dont il n'aurait pas pu rêver lorsqu'il était jeune étudiant dans sa ville natale de Vienne, en Autriche. Hammerl a étudié le génie mécanique au premier cycle, mais il a déménagé à Boulder pour poursuivre ses études supérieures afin de poursuivre sa passion pour l'exploration spatiale. (L'Autriche n'a pas son propre programme spatial.)

Quand il est arrivé, il n'avait aucune idée de la complexité de cette étendue apparemment vide.

Dans un sens simple, a-t-il expliqué, le concept de l'équipe pour un "tracteur électrostatique" fonctionne un peu comme frotter un ballon sur votre tête pour vous faire dresser les cheveux sur la tête. Tout d'abord, un navire de service s'approcherait d'un satellite abandonné à une distance d'environ 15 à 25 mètres (49 à 89 pieds), puis le zapperait avec un faisceau d'électrons. Ces électrons donneraient aux débris spatiaux une charge négative, tout en rendant le réparateur plus positif.

Comme le dit l'adage, les contraires s'attirent.

"Avec cette force d'attraction, vous pouvez essentiellement retirer les débris sans jamais les toucher", a déclaré Hammerl. "Cela agit comme ce que nous appelons une attache virtuelle."

Cela semble fonctionner aussi. Sur la base d'expériences dans ECLIPS et de modèles informatiques, les chercheurs calculent qu'un remorqueur électrostatique pourrait tirer un satellite pesant plusieurs tonnes sur environ 200 milles en deux à trois mois. C'est un rythme lent, mais suffisant pour retirer ce qui est essentiellement des presse-papiers glorifiés des précieuses fentes orbitales.

Les scientifiques ont proposé d'autres stratégies pour retirer les débris de l'orbite, comme saisir les satellites capricieux à l'aide de harpons. Mais toutes ces approches nécessitent d'entrer en contact direct avec des déchets.

En pratique, cependant, l'utilisation d'un faisceau tracteur dans l'espace est source de complications.

Pour commencer, les satellites déclassés ne restent généralement pas immobiles et peuvent même dégringoler sauvagement dans l'espace. Dans des études, Schaub et ses étudiants ont montré que si vous frappez ces morceaux de métal avec une impulsion rythmique d'électrons, plutôt qu'un faisceau stable, vous pouvez potentiellement ralentir leur rotation, ce qui rend les satellites sûrs à tirer ou même à se rapprocher pour effectuer des réparations.

L'équipe a également commencé à réfléchir à une région de l'espace où peu de débris résident aujourd'hui mais qui est sur le point de devenir beaucoup plus occupée : l'espace "cislunaire", ou la zone entre la Terre et sa lune. Ici, les conditions peuvent devenir vraiment sauvages.

Champion a expliqué que le soleil éjecte un flux de plasma presque constant, appelé vent solaire. En dehors du champ magnétique protecteur de la Terre, cet environnement de plasma peut devenir imprévisible. Les véhicules qui planent à travers peuvent perturber le flux de plasma et générer un sillage d'ions derrière eux, presque comme un voilier qui frôle l'eau. Ces sillages pourraient, à leur tour, affecter les performances d'un tracteur électrostatique.

"C'est ce qui rend cette technologie si difficile", a déclaré Champion. "Vous avez des environnements de plasma complètement différents en orbite terrestre basse, par rapport à l'orbite géosynchrone par rapport à autour de la lune. Vous devez faire face à cela."

Pour ce faire, Champion et ses collègues membres du laboratoire ont augmenté ECLIPS avec un "pistolet à ions", un appareil qui peut créer des courants rapides d'ions argon à l'intérieur de la chambre.

Elle espère que son travail pourra un jour aider les efforts de la NASA à travers son programme Artemis pour renvoyer les humains sur la lune et, de là, encore plus loin.

"Une fois que nous avons remis les gens sur la lune, c'est un tremplin pour voyager vers Mars", a déclaré Champion.

Schaub a noté que les faisceaux tracteurs spatiaux pourraient ne pas faire partie de la science-fiction pendant longtemps. Avec le financement adéquat, il prédit que son équipe serait prête à lancer un prototype de tracteur électrostatique dans l'espace d'ici cinq à dix ans seulement.

"Ce qui est excitant avec cette technologie, c'est que le même engin d'entretien peut déplacer deux ou trois ou même des dizaines d'objets au cours de sa vie. Cela réduit considérablement vos coûts", a déclaré Schaub. "Personne ne veut dépenser un milliard de dollars pour déplacer des ordures."

Fourni par l'Université du Colorado à Boulder