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Aug 01, 2023

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Des projets ambitieux de stations-service dans l'espace pourraient prolonger la durée de vie des satellites

Des projets ambitieux de stations-service dans l'espace pourraient prolonger la durée de vie des satellites

A 21h20 un soir de printempsIl y a 10 ans, les habitants des îles Falkland ont vu un objet enflammé traverser le ciel, se briser alors qu'il plongeait vers l'Atlantique Sud.

Le satellite GOCE était rentré.

L'Europe avait lancé le vaisseau spatial d'une tonne pour cartographier les champs gravitationnels de la Terre. Mais la gravité a eu le dernier mot car GOCE (abréviation de Gravity Field et Steady-State Ocean Circulation Explorer) a manqué de carburant au xénon pour son système de propulsion ionique, le rendant incapable de maintenir son orbite à 139 milles au-dessus de la Terre.

Les scientifiques étaient néanmoins ravis. Ils s'attendaient à ce que la mission GOCE dure deux ans, mais ils ont réussi à tenir quatre ans grâce à un taux de consommation de carburant inférieur aux attentes. Ce temps de mission supplémentaire a permis la collecte des données de gravité terrestre les plus précises jamais réalisées.

Représentation artistique du satellite européen GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer), qui a manqué de carburant et est rentré dans l'atmosphère en 2013. Les installations de ravitaillement pourraient permettre aux agences spatiales de prolonger la durée de vie opérationnelle de leurs satellites scientifiques. (AOES Medialab/ESA)

Mais que se passerait-il si GOCE et d'autres satellites ne manquaient pas de carburant ? Et s'il était possible de remplir leurs réservoirs de carburant en orbite afin qu'ils puissent continuer leurs missions ? La question, initialement spéculative, est devenue de plus en plus urgente à mesure que les déchets spatiaux continuent de s'accumuler, ce qui présente un danger pour les satellites et les astronautes humains.

Des tests en laboratoire démontrent que même de petits débris peuvent causer de graves dommages. (ESA)

Tous les satellites ne retombent pas sur Terre à la fin de leur vie. Beaucoup viennent de faire partie du champ de débris orbital sans cesse croissant qui, selon la NASA, se compose actuellement de plus de 23 000 fragments plus gros qu'une balle de softball, chacun se déplaçant à des vitesses allant jusqu'à 17 500 mph. De plus, il y a environ 100 millions de débris de 0,04 pouce ou plus, et même plus petits. Nous avons maintenant atteint le point où les débris génèrent encore plus de débris. En 2009, deux satellites disparus sont entrés en collision, se brisant en plus de 2 300 morceaux suffisamment gros pour être suivis.

Plus de 4 500 satellites restent opérationnels aujourd'hui, et cela ne fera que s'aggraver, car des entreprises privées comme SpaceX et OneWeb prévoient de continuer à lancer des constellations de milliers de satellites Internet dans les années à venir.

"Nous essayons de mettre fin au paradigme du" un et fait ", l'état d'esprit selon lequel vous lancez un vaisseau spatial, il vit sa vie utile, puis vous en construisez un autre pour le remplacer", explique Jill McGuire, ingénieur en robotique spatiale au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, qui a travaillé sur les missions historiques de réparation de Hubble. Elle est maintenant à la tête de la division Exploration and In-Space Services Projects qui gère OSAM-1 (On-orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing) - une mission à venir qui ravitaillera en robotique un satellite en orbite.

La NASA est loin d'être le seul acteur dans ce domaine, mais l'agence a été pionnière. En 2007, en collaboration avec la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), Boeing et Ball Aerospace, la NASA a lancé Orbital Express, une tentative coopérative de ravitaillement en carburant qui impliquait deux engins spatiaux construits à cet effet et comprenait des démonstrations de service, telles que le remplacement d'une batterie. Puis, en 2011, la NASA a lancé la première mission de ravitaillement robotique (RRM), un projet en trois phases qui s'est achevé en 2020. Avec cette mission, la NASA a cherché à démontrer une technologie pouvant être appliquée à des satellites qui n'étaient pas conçus pour le ravitaillement.

Le vaisseau spatial OSAM-1 de la NASA (à gauche) s'approche de Landsat 7 (comme on le voit dans cet art numérique). La mission, prévue pour 2025, évaluera si OSAM-1 peut saisir le satellite en mouvement rapide avec un bras robotisé et le ravitailler en carburant. (Northrop Grumman)

"OSAM-1 sera très similaire à la mission de ravitaillement robotique et impliquera une vanne de remplissage et de vidange typique sur un satellite réel", déclare McGuire, ajoutant que la mission ne se concentrera pas uniquement sur le ravitaillement. "Pour nous, le ravitaillement en carburant n'est qu'un élément de l'entretien. Et cela peut signifier repositionner le satellite, remplacer un boîtier de batterie ou mettre à niveau un instrument. Cela peut également signifier réparer un barrage solaire qui ne se déploie pas."

Cela ne veut pas dire que faire le plein est la partie la plus facile. Parce que le carburant est explosif, des mesures sont prises pour éviter les fuites lors de la préparation d'un satellite pour le lancement. "Une fois que le vaisseau spatial est rempli de carburant, ils ferment la vanne de remplissage et de vidange et la ferment", explique McGuire. "Ensuite, ils ont mis un capuchon de sécurité là-dessus, ils l'ont fermé et ils ont mis un autre capuchon de sécurité. Ils l'ont également fermé, puis tout cela est fermé avec une couverture pour aider à la protection thermique."

Un vaisseau spatial de ravitaillement doit d'abord s'agripper et s'amarrer au satellite cible, puis pénétrer chacune de ces précautions de sécurité à l'aide d'un bras robotique. La façon dont McGuire le décrit, le processus complexe ressemble presque à désarmer une bombe : "Nous devons être capables d'ouvrir la couverture, d'en couper une section et de la retenir pendant que nous coupons les fils et retirons les capuchons pour accéder à la vanne de remplissage et de vidange. Le bras du robot ira saisir l'outil de ravitaillement, qui aura un tuyau relié au système de carburant de notre vaisseau spatial. connectez le mécanisme sur la vanne, et nous la fermerons de manière à ce qu'elle soit thermiquement protégée."

Cette deuxième partie de la mission démontrera la capacité d'entreprendre des réparations simples en assemblant et en désassemblant à plusieurs reprises une petite antenne parabolique radio et en l'utilisant pour envoyer un signal à la Terre. Et comme la première partie, toute la procédure sera commandée depuis le sol. Tout se déroulera sur une période de trois semaines, à environ 400 miles d'altitude et à des vitesses supérieures à 16 500 mph. La mission est actuellement prévue pour un lancement début 2025, et la NASA a déjà choisi une cible : Landsat 7, un satellite d'observation de la Terre de l'US Geological Survey lancé en 1999 qui a épuisé son carburant en 2011. OSAM-1 le ravitaillera avec environ 250 livres d'hydrazine, le type de propulseur chimique le plus courant pour les satellites, permettant à Landsat 7 de maintenir son orbite pendant plusieurs années.

"Les techniques que nous développons montreront que vous pouvez ravitailler et mettre à niveau un satellite afin qu'il puisse vivre là-haut pendant encore 10 ans, peut-être avec une meilleure technologie", a déclaré McGuire. "Cela ouvre une toute nouvelle façon de faire des opérations spatiales."

C'est un plan ambitieux chargé de défis, selon Massimiliano Vasile, professeur d'ingénierie aérospatiale à l'Université de Strathclyde au Royaume-Uni. "Lorsque vous vous approchez d'un objet dans l'espace, vous devez l'agripper", dit-il. "Si l'objet n'est pas conçu pour être saisi, ce n'est pas facile à faire. Par exemple, si l'objet n'est pas opérationnel, il est probablement en train de culbuter, et il est déjà difficile de saisir quelque chose qui bouge de manière prévisible. Vous devez comprendre tout cela avant même de vous en approcher."

Du côté positif, il n'y a que trois fabricants différents de vannes de remplissage et de vidange, de sorte que la NASA doit s'adapter à seulement trois géométries pour pouvoir ravitailler n'importe quel satellite en orbite. Et l'OSAM-1 à déconnexion rapide laisse sur la valve après le ravitaillement agit comme une interface entre l'outil de ravitaillement et la valve elle-même, remplaçant tous les bouchons d'origine. La procédure de clôture sera alors plus rapide et les opérations de ravitaillement ultérieures plus fluides.

Moins de satellites morts en orbite signifie moins de déchets spatiaux. Un graphique de la NASA révèle les millions de morceaux de débris et de micrométéoroïdes fabriqués par l'homme qui orbitent actuellement à des vitesses moyennes de 22 000 mph.

Une approche plus efficace et moins coûteuse pour l'entretien des satellites consisterait à intégrer la technologie de ravitaillement dans leurs conceptions avant même qu'elles ne soient construites. Orbit Fab, une société privée basée dans le Colorado, travaille dans ce sens.

"Nous avons une vision d'une architecture de ravitaillement à faible coût qui n'implique pas de bras robotiques coûteux", déclare Daniel Faber, co-fondateur et PDG d'Orbit Fab. "Nous avons développé un port de ravitaillement en discutant avec d'autres entreprises du secteur pour comprendre leurs besoins. Lorsque nous avons commencé il y a quelques années, il n'y avait que 30 ou 40 entreprises. Aujourd'hui, elles sont déjà plus de 200."

Ce port s'appelle RAFTI (Rapidly Attachable Fluid Transfer Interface) et comprend trois marqueurs distinctifs qui facilitent un alignement correct lors des manœuvres d'accostage. Orbit Fab a rendu public ses spécifications dans le but d'en faire une norme de l'industrie, et le port est déjà en orbite à bord d'un ravitailleur de démonstration appelé Tenzing-1, lancé à la mi-2021 sur une fusée SpaceX Falcon 9.

"C'est le premier dépôt de carburant opérationnel au monde", déclare Faber, ajoutant que ces dépôts représenteront la moitié de l'infrastructure d'Orbit Fab, offrant un moyen de stocker de grandes quantités de carburant en orbite. L'autre moitié sont des navettes de carburant, qui récupèrent le carburant des dépôts et effectuent ensuite des livraisons aux satellites cibles. "Les navettes utiliseront elles-mêmes une partie de ce carburant, elles sont donc réutilisables à l'infini", a-t-il déclaré. "Le prochain lancement aura lieu fin 2023 pour la première des navettes de carburant, puis nous serons prêts sur le plan opérationnel à livrer du carburant aux clients. Nous avons un certain nombre d'entre eux alignés pour prendre cette première livraison de carburant dans les deux prochaines années. "

"La plupart des satellites sont obligés de mettre 15 ans de carburant à bord", explique Jeremy Schiel, co-fondateur d'Orbit Fab. "Imaginez remorquer 15 ans de carburant derrière votre voiture." Un port standard, ajoute-t-il, rend le processus de ravitaillement beaucoup plus simple par rapport à ce que la NASA a à faire avec son bras robotique. "C'est super invasif, parce que vous devez couper l'isolant autour du vaisseau spatial, puis vous devez détacher le fil d'attache autour de la vanne de remplissage et de vidange, puis mettre le nouveau port. Il y a donc beaucoup de choses qui peuvent mal tourner pendant ce processus. "

Le port Orbit Fab a suscité l'intérêt de Lockheed Martin et Northrop Grumman (les deux sociétés ont investi dans Orbit Fab) et plus récemment du ministère de la Défense, qui a attribué à la société un contrat de 12 millions de dollars pour tester RAFTI sur des satellites militaires. "L'Air Force et la Space Force ont commencé à financer les tests selon leurs qualifications et leurs exigences, qui sont assez strictes, nous avons donc également appris d'elles", déclare Faber. "Nous avons progressé dans la conception, et maintenant elle est stabilisée et nous l'expédions aux clients pour qu'ils l'incluent dans leur vaisseau spatial."

Parmi les premiers clients d'Orbit Fab se trouve Astroscale, une société japonaise qui se concentre sur l'enlèvement des débris orbitaux et l'entretien des satellites. Son vaisseau spatial LEXI est le premier satellite commercial opérationnel au monde destiné à être ravitaillé en carburant et sera équipé de ports RAFTI. LEXI, qui signifie Life-Extension In-Orbit, est conçu pour empêcher l'accumulation de plus de débris flottants en ravitaillant les satellites afin qu'ils puissent poursuivre leurs missions - ou en fournissant juste assez de carburant pour propulser les satellites morts vers une "orbite de cimetière" plus élevée. Le premier LEXI devrait être lancé en 2026, et Astroscale et Orbit Fab ont signé un contrat pour la fourniture de jusqu'à 2 200 livres de gaz xénon, un propulseur standard de l'industrie qui alimente les propulseurs électriques.

Un ingénieur du Goddard Space Flight Center à Greenbelt, Maryland, effectue une vérification d'ajustement des outils externes pour la mission de ravitaillement robotique 3 de la NASA.

Orbit Fab collabore également avec la NASA. "Nous les avons rencontrés à plusieurs reprises", déclare McGuire de la NASA. "Nous avons essayé de leur donner plus d'informations sur ce que nous avons appris dans le développement de nos vannes, pour voir si l'une de ces choses les aidera à fabriquer un meilleur produit." Cependant, ajoute-t-elle, si un satellite n'a pas de valve coopérative, alors la technique que la NASA a développée est le seul moyen de ravitailler directement l'un des engins spatiaux actuellement en orbite.

D'autres groupes travaillent sur des projets similaires. SpaceLogistics, une société de Northrop Grumman, a lancé deux engins spatiaux – l'année dernière et en 2020 – qui peuvent s'amarrer à des satellites à faible consommation de carburant. En 2025, l'entreprise prévoit de lancer des dépôts de carburant. Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université Carnegie Mellon développe une nouvelle technologie robotique pour entretenir les satellites, en s'appuyant en partie sur le travail effectué par Northrop Grumman. Lockheed Martin a publié une interface mécanique open source pour ancrer les vaisseaux spatiaux les uns aux autres. Et la DARPA a fourni des fonds de démarrage pour aider à créer un consortium pour l'exécution des opérations de rendez-vous et d'entretien, qui vise à développer des normes dirigées par l'industrie et à guider les politiques internationales pour le ravitaillement et l'entretien des satellites.

Au cours de la première phase du RRM, les contrôleurs de mission sur Terre ont appris à commander à distance le robot canadien Dextre (monté sur la Station spatiale internationale) pour effectuer une gamme de tâches d'entretien.

La collaboration entre ces entités signale un moment de transformation dans l'économie spatiale. "Nous avons plusieurs accords de licence en place avec différentes sociétés qui, comme Orbit Fab, cherchent à démarrer leurs propres scénarios de maintenance", déclare McGuire. "Tout ce que nous apprenons et faisons, l'industrie commerciale pourra s'en emparer. Je pense que le ravitaillement en carburant deviendra un environnement concurrentiel, et dans les cinq à 10 prochaines années, nous verrons un changement dynamique à mesure que la technologie deviendra une réalité et pas seulement quelque chose qui se fait en laboratoire. Tout comme SpaceX, Boeing et Blue Origin se disputent le lancement commercial aujourd'hui, il y aura des entreprises en concurrence pour le ravitaillement en carburant."

Selon Faber, prolonger la durée de vie d'un satellite n'est pas le seul avantage qu'offre le ravitaillement en carburant. "Vous obtenez également de la flexibilité", dit-il. "Vous pouvez vous déplacer beaucoup plus sans vous soucier de manquer de carburant, ce qui est la principale préoccupation de l'exploitation d'un satellite en ce moment. Ainsi, si le marché évolue, vous pouvez déplacer votre satellite là où se trouve le marché. Par exemple, vous pouvez piloter des satellites d'imagerie plus près de l'atmosphère - où vous obtenez un peu plus de traînée mais des images à plus haute résolution - puis les ravitailler. C'est quelque chose qui n'était pas possible auparavant. Il existe de nombreux modèles commerciaux qui bénéficient de ne pas avoir à transporter tout le carburant avec vous. "

SpaceLogistics, une société de Northrop Grumman, propose une alternative au ravitaillement en carburant orbital : le module d'extension de mission, qui pourrait fournir six années de vie supplémentaires à un satellite typique de 4 409 livres en orbite géostationnaire. (Northrop Grumman)

Dans un premier temps, Orbit Fab se concentrera sur l'hydrazine et le xénon, qui représentent environ 95 % de la demande de carburant pour satellites. Mais la société étudie des alternatives plus vertes et moins chères et a annoncé un partenariat avec la startup allemande Neutron Star Systems pour développer des propulseurs durables.

À plus long terme, Orbit Fab espère déplacer la production du carburant lui-même en orbite. "Nous voulons être une entreprise pétrochimique et acheter des matériaux extraits d'astéroïdes et de lune afin de les convertir en propulseurs utilisables dans l'espace", explique Schiel. "Au début, nos pétroliers ne pourront pas se ravitailler en carburant, mais une fois que nous passerons à la partie pétrochimique de notre activité, nous pourrons commencer à remplir ces dépôts dans l'espace, où nous produisons réellement les propulseurs."

En 2022, Orbit Fab a conclu un accord avec Astroscale pour ravitailler le vaisseau spatial Life Extension In-Orbit (LEXI) de la société, vu dans la représentation de cet artiste. (Orbit Fab/Astroscale)

Ces futurs propulseurs ne seront pas de l'hydrazine et du xénon, mais quelque chose de beaucoup plus simple. Orbit Fab a été la première entreprise privée à fournir de l'eau à la Station spatiale internationale ; et Tenzing, le dépôt de carburant actuellement en orbite, a un réservoir plein de peroxyde d'hydrogène.

"L'eau, le peroxyde d'hydrogène et les hydrocarbures seront les propulseurs du futur, car nous pouvons les obtenir facilement à partir des astéroïdes et de la lune", déclare Faber. "Notre vision consiste à lier tout cela dans une feuille de route de production qui peut réduire considérablement le coût des affaires, car les matériaux sont déjà là."

La NASA, en fait, prépare une mission au pôle sud de la lune pour commencer à étudier les dépôts de glace pour de futures opérations de forage où la glace pourrait être extraite et convertie en eau, propulseurs et oxygène. L'ère de la prospection lunaire a commencé, et avec elle la technologie pour ravitailler les satellites et réduire les débris orbitaux afin que, à mesure que l'économie spatiale se développe, nous n'emportions pas la pollution de la Terre avec nous.

Jacopo Prisco est un journaliste basé à Londres qui couvre les actualités et les reportages pour CNN International. Il a écrit sur l'Antonov An-225 dans le numéro d'avril/mai 2021 d'Air & Space.