Les nanosatellites permettent aussi de faire de la science

Publié par Adrien le 22/06/2020 à 09:00
Source: Observatoire de Paris
Les satellites sont partout et de plus en plus nombreux. Ils répondent à notre avidité de flux de données. Après l'ère des gros satellites placés en orbite géostationnaire, nous passons à des petits satellites déployés en constellations globales.

L'Inde a ainsi mis en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) plus de 100 satellites en 2017 avec une seule fusée (Fusée peut faire référence à :). De tels tirs de fusées se multiplient pour envoyer de petits satellites en orbites "basses" entre 500 et 1000 km et une période orbitale (En astronomie, la période orbitale désigne la durée mise par un astre (étoile, planète, astéroïde) pour effectuer une orbite complète. Par exemple, la Terre a une période orbitale de 365,25 jours.) d'environ 90 min.

Un débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance, à laquelle prennent part des individus ayant des avis, idées,...) public est impératif sur la pertinence et le coût environnemental réel de telle ou telle consommation de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.): vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un support adapté à l'électronique et non de type...) en streaming (Le streaming (de l'anglais stream, "courant"), lecture en flux ou lecture en continu, aussi appelé lecture directe, lecture en transit, diffusion en mode continu ou encore diffusion de flux continu, désigne un principe...) par satellite (Satellite peut faire référence à :), imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main,...) en continu pour gestion des catastrophes ou accès Internet (Internet est le réseau informatique mondial qui rend accessibles au public des services variés comme le courrier électronique, la messagerie instantanée et le World Wide Web, en utilisant le protocole de...) pour toute la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante...). Le coût direct est celui des lancements eux-mêmes pour installer et renouveler les nouvelles constellations, mais aussi celui induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) par la multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire avec l'addition, la soustraction et la division .) des débris spatiaux et désormais aussi celui de la pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre par malsain [1].) visuelle du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) nocturne. Une constellation (Une constellation est un ensemble d'étoiles dont les projections sur la voûte céleste sont suffisamment proches pour qu'une civilisation...) comme Starlink, qui prévoit d'envoyer 12 000 satellites, et qui en annonce même jusqu'à 42 000, promet ainsi de générer de la pollution lumineuse (L’expression pollution lumineuse (light pollution, ou photopollution pour les anglophones) désigne à la fois la présence nocturne anormale ou gênante de...) dans chaque degré-carré du ciel à tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) moment (1 degré-carré représente une zone équivalant à 4 pleines lunes).

En revanche, pour l'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...), une utilisation moins polémique et très prometteuse des nanosatellites s'annonce: ils ouvrent un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) nouveau et jusqu'alors inaccessible pour l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) du ciel avec un impact écologique minime, car mutualisé entre plusieurs missions.

Étudier le vent solaire qui souffle sur la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...)

Un premier exemple est celui de l'étude du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel...) solaire: ces particules (électrons, protons) sont éjectées avec une très forte énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) lors des éruptions à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de...) et arrivent jusqu'à nous après un voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage s'est considérablement développé et...) de quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :) à quelques jours. Elles sont connues pour générer de magnifiques aurores boréales. L'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) du vent solaire avec l'atmosphère terrestre (L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre solide. L'air sec se compose de 78,08 % d'azote, 20,95 % d'oxygène, 0,93 % d'argon, 0,039 % de dioxyde de...), et en particulier l'ionosphère (L’ionosphère est une région de l'atmosphère située entre la mésosphère et la magnétosphère, c'est-à-dire entre 60 et 800 km d'altitude. Elle est constituée de gaz fortement ionisé à très faible pression (entre 2.10-2 mb et 1.10-8...), est aussi source de perturbations des satellites artificiels: elles brouillent les télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus utilisé que le terme...), rendent aveugles des instruments optiques ou même détruisent certains composants électroniques avec risque de perte totale de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) du satellite (Satellite peut faire référence à :) qui devient alors un débris spatial (Un débris spatial, dans le domaine de l'astronautique, est l'objet résiduaire d'une mission spatiale, se trouvant sur orbite. Le terme correspondant...). Actuellement, des petits satellites observent comment les signaux des (gros) satellites GPS sont déviés par l'ionosphère, étudiant en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel ses caractéristiques et son impact sur le climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se distingue de la météorologie qui désigne...).


Aurore boréale, un des effets du vent solaire.
© French_Landscape_Photographer/Flickr, CC BY-NC-ND

Plus loin de nous, entre la Terre et la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne séparant la Terre...) ou Mars, la violence du vent solaire et les particules cosmiques ne sont plus filtrées par le bouclier ("Le Bouclier" était une association créée par Bernard Valadon pour lutter contre la pédocriminalité sur internet. Le site web www.bouclier.org, aujourd'hui disparu, était au centre du dispositif de veille...) magnétique terrestre et deviennent un risque pour les missions d'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) spatiale. Les nanosatellites pourraient sonder la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) et la directivité du vent solaire et des rayonnements cosmiques.

S'affranchir de l'atmosphère terrestre pour sonder les "âges sombres" de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.)

Autre exemple, la compréhension des âges sombres de l'univers, c'est-à-dire une "image" du ciel peu après le big bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la...) à des fréquences radio très basses, hélas filtrées par l'atmosphère et brouillées par les émissions radio de l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) humaine. La carte détaillée du ciel dans le spectre radio en dessous de 30 MHz est tout simplement inconnue à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les...) ! Avec un essaim de nanosatellites orbitant autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de la Lune, on pourrait réaliser un interféromètre spatial qui enverrait des données vers la Terre (face visible de la Lune) et serait à l'abri des pollutions radio (face cachée).


Carte du ciel réalisée en 2018 grâce à la mission ESA Planck montrant les différences de températures du fond cosmologique, ainsi que sa polarisation (une petite partie du fond cosmologique "vibre" dans des directions préférentielles).
© ESA et la collaboration Planck, CC BY-SA

S'approcher très près des astéroïdes

Enfin, l'actualité des agences spatiales montre un regain d'intérêt pour les astéroïdes, ces petits corps pas encore sphériques comme les planètes et qui tournent à leur propre rythme autour du soleil, croisant parfois l'orbite de la Terre et parfois aussi entrant dans notre atmosphère. Si le corps est vraiment petit (le plus souvent), il se consume dans l'atmosphère et nous offre le spectacle d'une étoile filante (On appelle étoile filante le phénomène lumineux qui accompagne la rentrée dans l'atmosphère d'un corps extraterrestre (météore). Cette traînée lumineuse est causée par la vaporisation du corps et l'ionisation de l'air sur sa...). Mais s'il est plus gros, et c'est bien plus rare, il peut créer des dégâts comme en 2013 à Tcheliabinsk ou un cataclysme global comme probablement l'événement de la Toungouska en 1908 ou même l'extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque chose. Plus particulièrement on retrouve ce terme dans...) des dinosaures.


Deux images de l'astéroïde Lutetia, avec des orientations différentes, prises lors de l'approche finale de la sonde Rosetta (Rosetta est une sonde spatiale conçue par l'Agence spatiale européenne (ESA), ayant pour objectif de récolter des informations sur la comète Churyumov-Gerasimenko.) de l'Agence spatiale européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est une agence spatiale intergouvernementale fondée...) (ESA).
© ESA et l'équipe OSIRIS (MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA)

Des missions spatiales prévues pour étudier des astéroïdes seront accompagnées de nanosatellites auxiliaires: un nanosatellite prendra des images rapprochées pendant l'impact de la mission DART de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est...) sur l'astéroïde Didymos, les deux autres avec la mission HERA de l'ESA descendront vers la surface pour des mesures rapprochées trop risquées pour le vaisseau mère. La composition interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital...) d'un astéroïde dépend de sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) - pour mesurer cette dernière, il faut un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette...) proche et assez lent pour être défléchi par la très faible gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) de l'astéroïde. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) des deux missions mesurera l'efficacité de percuter un astéroïde comme méthode de déviation possible si un tel astéroïde géocroiseur (En astronomie, les astéroïdes géocroiseurs sont des astéroïdes évoluant à proximité de la Terre. Pour les nommer on utilise souvent l'abréviation ECA, de l'anglais Earth-Crossing Asteroids, astéroïdes...) menaçait la Terre (ce qui n'est pas le cas pour l'astéroïde Didymos qui servira seulement de cobaye). De telles mesures nécessitent de voler à proximité, lentement et longtemps. Des nanosatellites, autonomes et peu chers, amenés sur place par la mission principale seront parfaits !

Concevoir et fabriquer des nanosatellites

Mais il y a un hic ! Depuis l'émergence du format CubeSat en 2000, les statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données...) ont montré un taux de 50% d'échec, inacceptable pour des missions scientifiques. La cause principale serait un manque de tests au sol, mais d'où vient ce manque ?

En fait, la première cause est certainement la croyance qu'un CubeSat se fait en 3 ans seulement. Ainsi, une équipe s'engage sur un calendrier (Un calendrier est un système de repérage des dates en fonction du temps. Ces systèmes ont été inventés par les hommes pour mesurer, diviser et organiser le temps sur de longues durées. Initialement conçus pour être...) trop ambitieux, réserve son tir de fusée à l'avance puis réalise qu'elle doit faire des impasses dans les tests par manque de temps. Or le spatial ne pardonne pas: ce qui n'a pas été testé ne marchera pas, dit-on. Depuis la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) technique jusqu'à la livraison, il faut un minimum de 3 revues complètes avec des remises en cause parfois importantes. Les CubeSats qui ont bien fonctionné ont pris 5 à 7 ans ou bien étaient des démonstrateurs très préliminaires et simplifiés au maximum. Il faut en tout cas être prêt à reporter le tir de fusée, quitte à payer un dédit au lanceur ( Lanceur, terme de l'astronautique Lanceur, terme du baseball ).


Tests en salle propre de composants dits "sur étagère" pour nanosatellites (satellites jusqu'à environ 10-50kg).
© Boris Segret/Observatoire de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la Seine en...), Author provided

Une deuxième cause semble être la jeunesse du secteur du New Space. D'un côté, des fournisseurs survendent leurs produits à des conditions discutables (paiements d'avance, délais flexibles, performances en vol non garanties...). De l'autre, les scientifiques n'ont pas encore l'expérience. Les délais d'approvisionnement sont alors sous-estimés et les livraisons sont trop laxistes. Le pôle Spatial de PSL Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) Paris, C²ERES, à l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique équipé de bons instruments permettant...), a choisi de mettre en place un écosystème de développement: nous acquérons à l'avance des composants-types de CubeSats, avec nos propres conditions d'achat, et nous les testons en dehors de tout projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de contribution, et...) particulier, puis nous formons les équipes scientifiques depuis la définition en ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) concourante basée sur des modèles (MBSE), jusqu'aux besoins d'intégration et de tests, en passant par les appels d'offres pour organiser leur choix de sous-traitance avec les acteurs du new space.

Au-delà de l'originalité pédagogique des CubeSats, la popularité croissante de ces nanosatellites est une opportunité majeure pour les scientifiques. Ils offrent un accès à de nouvelles observations spatiales, y compris en accompagnement des missions traditionnelles d'exploration.
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