Toute mission dirigée vers l’espace a besoin d’une « place de parking » à sa destination. Mais ces places de stationnement, régions situées sur les orbites, sont rapidement occupées ou plus vulnérables aux collisions.
La plupart des objets lancés dans l’espace sont des satellites, qui peuvent se déplacer à une vitesse supérieure à 4 miles par seconde dans les régions où ils se garent. Environ 10 fois le nombre de satellites actuellement dans l’espace devrait être lancé d’ici 2030. Simultanément, des constellations de satellites sont augmentant en nombre et en taille. Il s’agit de groupes de satellites travaillant ensemble en tant que système, par exemple pour permettre le GPS, l’observation de la Terre, l’accès à Internet et d’autres types de communications.
« Avec cette densité de satellites, quelque chose va tomber en panne et provoquer une collision. C’est juste une question de probabilité », a déclaré David Arnas, professeur adjoint d’aéronautique et d’astronautique à la faculté d’ingénierie de l’université Purdue. « Les constellations de satellites deviennent si grandes et si nombreuses qu’il devient impossible de toutes les suivre avec précision et d’assurer leur sécurité à long terme, même par des moyens informatiques. »
Arnas et ses étudiants diplômés étudient comment les orbites pourraient être utilisées pour concevoir de meilleures places de stationnement pour les satellites, à la fois dans des zones plus proches de la Terre, où bon nombre de ces emplacements disponibles ont déjà été occupés, et dans d’autres parties de l’espace qui connaîtront bientôt une augmentation du nombre de satellites. population satellite, comme la vaste zone située entre la Terre et la Lune appelée région cislunaire. Son groupe de recherche propose également de nouvelles méthodes permettant d’analyser de manière réalisable les constellations de satellites à mesure qu’elles augmentent en taille.
L’objectif d’Arnas est de rendre l’espace plus équitable. Placer les engins spatiaux dans des emplacements de stationnement désignés plutôt que n’importe où pourrait réduire le risque que l’espace devienne trop encombré pour que les missions puissent se dérouler en toute sécurité.
« L’espace est une ressource commune de l’humanité, au même titre que l’eau et l’air. Même s’il paraît très vaste, il reste limité. Il est de notre responsabilité de garantir que les générations futures y auront également un accès équitable », a-t-il déclaré.
Aider les constellations de satellites à s’agrandir de manière plus sûre
Que les constellations de satellites soient situées plus près de la Terre ou à proximité de la Lune, les débris spatiaux constituent un problème inévitable.
En seulement un mois, les débris provenant d’une explosion ou d’une collision de satellite en orbite terrestre basse peuvent recouvrir la Terre entière. Ces débris pourraient rester n’importe où, de quelques années à plusieurs centaines d’années, en fonction de l’altitude. Si l’orbite terrestre basse devient plus encombrée, les satellites disposeront de peu d’endroits où ils pourront rapidement s’écarter des débris avant d’être touchés.
Cela présente un problème de mathématiques en désordre. Mais Arnas et ses étudiants identifient comment organiser de grandes constellations de satellites afin qu’il soit possible de prédire comment elles devraient se reconfigurer lorsqu’un énorme nuage de débris se dirige vers elles.
« Si nous avons beaucoup de satellites dans une zone où il y a eu un événement de fragmentation, nous devrons déplacer ces satellites. Cela signifie que nous devons optimiser non seulement les positions finales des satellites, mais aussi les manœuvres que chaque satellite effectuerait. « Nous devons agir dans un laps de temps très court. Et pour le moment, cela n’est pas possible si plusieurs grandes constellations sont impliquées », a-t-il déclaré.
« Cependant, si vous disposez d’une structure générale, d’une distribution contenant tous les satellites de la région, c’est non seulement possible, mais quelque chose que nous pouvons faire même avec un stylo et du papier. Nous pouvons prévoir les possibilités de reconfiguration et réagir très rapidement si quelque chose d’inattendu se produit. arrive. »
Arnas a fait des découvertes sur la manière de estimer la capacité orbitale, réduire les risques de collisions au sein des constellations de satellites et concevoir des orbites de satellites qui soient plus résistant aux perturbations. Une méthode qu’il a développée aiderait à calculer la distance minimale que les satellites doivent maintenir les uns par rapport aux autres de sorte que quoi qu’il arrive sur une orbite particulière, chaque satellite serait suffisamment éloigné pour éviter une collision. Il a également proposé une nouvelle façon de analyser de grandes constellations de satellites en sous-ensembles afin qu’ils soient plus faciles à étudier.
Actuellement, il y a peu de politiques réglementer les endroits où les satellites peuvent être placés dans l’espace. Grâce aux outils qu’il crée, Arnas espère contribuer à informer les décideurs sur les conséquences possibles du lancement d’un nouveau satellite ou de l’établissement d’une nouvelle constellation.
« Je veux donner aux décideurs politiques un moyen de savoir dans quelle mesure l’approbation d’une mission va affecter la capacité future et la durabilité du secteur spatial », a-t-il déclaré.
Rendre les voyages entre la Terre et la Lune plus économes en carburant
L’augmentation du nombre de missions spatiales et de la densité des satellites n’affecte pas seulement les engins spatiaux en orbite proche de la Terre.
Des dizaines de missions pourraient traverser la région cislunaire au cours des prochaines années, mais il est difficile de tracer les trajectoires que les engins spatiaux devraient suivre pour chaque mission individuelle. Le rayonnement solaire et l’attraction gravitationnelle combinée de la Terre, de la Lune et d’autres planètes ont un effet important sur les orbites et la façon dont elles sont utilisées.
Pour aider à résoudre ce problème, le groupe de recherche d’Arnas étudie comment les orbites dites résonantes pourraient être utilisées pour concevoir ces trajectoires et aider les vaisseaux spatiaux à économiser du carburant lorsqu’ils parcourent les 238 900 milles entre la Terre et la Lune.
Arnas et Andrew Binder, étudiant diplômé de Purdue, s’appuient sur une idée que la NASA a explorée dans le passé propulser des satellites depuis une orbite terrestre basse sans dépenser de carburant en utilisant de très longues structures de câbles appelées « attaches ». En appliquant cette idée à la région cislunaire, Arnas et Binder envisagent de construire une infrastructure réutilisable dans l’espace basée sur une paire d’attaches qui pourraient « attraper et lancer » des satellites entre la Terre et la Lune. Une attache serait en orbite autour de la Terre et l’autre en orbite autour de la Lune. Les attaches fourniraient l’impulsion nécessaire aux satellites pour traverser l’espace cislunaire afin qu’ils n’aient pas à consommer de carburant pour effectuer ce voyage.
Bien que leurs découvertes soient préliminaires, Arnas et Binder développent des modèles plus complexes de ce système d’attache qui, espèrent-ils, pourraient contribuer à une manière plus rationalisée de voyager dans l’espace cislunaire.
« Si les missions aller-retour sur la Lune deviennent plus courantes, il pourrait alors être très utile de disposer d’une infrastructure déjà construite en orbite pour transférer les charges utiles dans le système cislunaire », a déclaré Arnas.