Désorbitation de débris spatiaux à distance (par électromagnétisme)

Je me pose une question, dont la réponse, encore une fois, dépasse de loin mes connaissances en physique. Je vous la livre pour m'éviter de longues et fastidieuses recherches qui ne mèneront probablement à rien.

Je pars du constat qu'il y a énormément d'objets indésirables en orbite terrestre, et qu'il est impossible de les désorbiter tous, en allant les chercher un par un pour les faire plonger dans l'atmosphère qui les consumera/les fera s'écraser. L'idée grossière est donc la suivante : il faut désorbiter ces objets en restant peinards assis dans nos fauteuils, à distance.

A distance : on peut depuis le sol "éclairer" ces objets, avec plus ou moins de précision, plus ou moins de puissance, avec une onde électromagnétique quelconque. Par exemple, un rayonnement ionisant permettrait de charger électriquement notre débris, dans l'espoir de pouvoir interagir avec lui dans un second temps, soit avec un énorme électro-aimant digne des grands méchants de James Bond ("je vais attirer tous les satellites du MONDE, mouah ah ah !!!" :D) soit en jouant avec la magnétosphère naturelle pour petit à petit amener ce débris à changer sa course, voire s'écraser.

Peut-être existe-t-il d'autres moyens que le magnétisme pour agir à distance sur ces débris (les chauffer ? mais comment peut-on tirer parti de la température d'un corps pour le faire chuter ?), mais je sèche un peu sur les bonnes idées qui seraient exploitables et viables dans le but recherché. D'autre part, je sous-estime sans doute les puissances à mettre en oeuvre pour cette idée, qui sont peut-être rédhibitoires.

Sur ce, je vous laisse la parole, avec cet avertissement : méfiez-vous, aucune question n'est bête, par contre les réponses peuvent l'être :D (j'ai le beau rôle).

Les rayonnements requis, au minimum des UV en énergie, passent mal l'atmosphère. Heureusement pour nous d'ailleurs.

lambda0 a écrit:Les rayonnements requis, au minimum des UV en énergie, passent mal l'atmosphère.

Appelons ça le problème 1. Et en imaginant un rayon tiré depuis l'orbite ? J'imagine que la source d'alimentation en énergie pour tirer ce rayon sera un problème ? Et en imaginant un rayon tiré depuis une haute altitude ?

Voyez-vous d'autres problèmes ?

Thierz a écrit:
A distance : on peut depuis le sol "éclairer" ces objets, avec plus ou moins de précision, plus ou moins de puissance, avec une onde électromagnétique quelconque. Par exemple, un rayonnement ionisant permettrait de charger électriquement notre débris, dans l'espoir de pouvoir interagir avec lui dans un second temps, soit avec un énorme électro-aimant digne des grands méchants de James Bond ("je vais attirer tous les satellites du MONDE, mouah ah ah !!!" :D) soit en jouant avec la magnétosphère naturelle pour petit à petit amener ce débris à changer sa course, voire s'écraser.

La force électromagnétique est très faible à grande distance. Donc même si on parvenait à ioniser l'objet, il faudrait s'en rapprocher considérablement pour pouvoir agir sur lui. La magnétisme terrestre est à mon avis inexploitable. Pour s'en rendre compte, il suffit de prendre un aimant dans la main et d'essayer de trouver le nord en détectant d'infimes augmentations de force en le tournant. Ca fait tourner une aiguille posée sur une tige, mais de là à ressentir une force, en dehors de la force gravitationnelle et des forces de réaction de la main qui maintient la boussole en l'air ...
En plus, en orbite, ça bouge, et ça bouge même très vite, à 8km/s. Donc le temps de réduire la vitesse de 0,0001 m/s et ça repasse de l'autre côté où la force accélère l'objet ...

En ce qui concerne la chaleur, c'est à réfléchir. En elle-même, la chaleur ne fournit aucune quantité de mouvement. Toutefois, si on augmente suffisamment la température de manière localisée, là il peut y avoir expulsion de matière ce qui peut créer une petite quantité de mouvement. Il faudrait cependant réitérer ce processus un grand nombre de fois avec une poussée dans la même direction pour obtenir un effet tangible et suffisant pour désorbiter l'objet. Cela me parait irréaliste, sauf si ce processus a été prévu au départ. En gros, on vient d'inventer le concept de fusée ... ;-)
Par exemple, on pourrait avoir un petit booster rempli d'ergols qui pourrait être allumé à distance en chauffant. En gros, on attache une microfusée au satellite et quand il est en fin de vie, on est capable de l'allumer même si le satellite n'est plus du tout opérationnel.

Argyre a écrit:

Thierz a écrit:
A distance : on peut depuis le sol "éclairer" ces objets, avec plus ou moins de précision, plus ou moins de puissance, avec une onde électromagnétique quelconque. Par exemple, un rayonnement ionisant permettrait de charger électriquement notre débris, dans l'espoir de pouvoir interagir avec lui dans un second temps, soit avec un énorme électro-aimant digne des grands méchants de James Bond ("je vais attirer tous les satellites du MONDE, mouah ah ah !!!" :D) soit en jouant avec la magnétosphère naturelle pour petit à petit amener ce débris à changer sa course, voire s'écraser.

La force électromagnétique est très faible à grande distance. Donc même si on parvenait à ioniser l'objet, il faudrait s'en rapprocher considérablement pour pouvoir agir sur lui. La magnétisme terrestre est à mon avis inexploitable. Pour s'en rendre compte, il suffit de prendre un aimant dans la main et d'essayer de trouver le nord en détectant d'infimes augmentations de force en le tournant. Ca fait tourner une aiguille posée sur une tige, mais de là à ressentir une force, en dehors de la force gravitationnelle et des forces de réaction de la main qui maintient la boussole en l'air ...

Ce n'est pas comparable, justement parce que les objets sur orbite se déplacent très vite dans le champ terrestre, et peuvent être déviés par la force de Lorentz.
B = 50 µT, v=7500 m/s -> F = 0.38 N/C
Une charge électrique de 1 C, ce n'est pas démesuré, c'est que stockent des gros condensateurs.

Inconvénient de la méthode, un rayonnement ionisant ne peut que charger un corps positivement par ablation d'électrons, n'est-ce pas ? On ne doit donc pas pouvoir faire alterner la polarité du débris en fonction de ses passages dans l'hémisphère nord/sud, pour cumuler les effets de la magnétosphère tout au long de son orbite...

Pourquoi veux-tu faire alterner la polarité ? Les particules électrisées finissent par suivre les lignes de champ pour aboutir aux pôles, plus ou moins vite suivant le vecteur vitesse initial, c'est ce qui produit les aurores polaires.

Vaporiser les petits débris avec votre laser pourrait être efficace. Quant à propulser les gros, il faut vraiment un laser puissant. De quoi faire un joli trou sur 100km d'atmosphère !

lambda0 a écrit:
Ce n'est pas comparable, justement parce que les objets sur orbite se déplacent très vite dans le champ terrestre, et peuvent être déviés par la force de Lorentz.
B = 50 µT, v=7500 m/s -> F = 0.38 N/C
Une charge électrique de 1 C, ce n'est pas démesuré, c'est que stockent des gros condensateurs.

Tu as parfaitement raison.
0,38 N, cependant, est à comparer aux dizaines, centaines ou même milliers de Newtons de la force gravitationnelle, en fonction de la masse du satellite. Ce qui veut dire qu'au mieux on aura une petite déviation de l'orbite. Or, en fonction de la position sur l'orbite, la force agira tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre sens. Il n'y aura donc pas d'effet cumulatif.
Et puis, on n'a toujours pas résolu le problème numéro 1, à savoir comment iioniser un objet en orbite.
A priori, si on est capable de toucher au laser un tel objet, autant mettre le paquet et le pulvériser. Mais encore faut-il pouvoir le toucher. C'est un peu comme si on demandait à un chasseur de toucher la balle tirée par le fusil d'un autre chasseur placé à 100 mètres ...

Argyre a écrit:

lambda0 a écrit:
Ce n'est pas comparable, justement parce que les objets sur orbite se déplacent très vite dans le champ terrestre, et peuvent être déviés par la force de Lorentz.
B = 50 µT, v=7500 m/s -> F = 0.38 N/C
Une charge électrique de 1 C, ce n'est pas démesuré, c'est que stockent des gros condensateurs.

Tu as parfaitement raison.
0,38 N, cependant, est à comparer aux dizaines, centaines ou même milliers de Newtons de la force gravitationnelle, en fonction de la masse du satellite. Ce qui veut dire qu'au mieux on aura une petite déviation de l'orbite. Or, en fonction de la position sur l'orbite, la force agira tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre sens. Il n'y aura donc pas d'effet cumulatif.
Et puis, on n'a toujours pas résolu le problème numéro 1, à savoir comment iioniser un objet en orbite.
...

Un satellite est en chute libre dans le champ de gravité...
Et 0.38 N appliqué en permanence, c'est beaucoup, une sonde de plus d'une tonne comme Dawn dispose de beaucoup moins que cela, tout comme les dizaines de satellites équipés de propulseurs ioniques.
Pour ce qui est du sens de la force et des effets cumulatifs, voir réponse à Thierz plus haut.
On ne sait pas charger électriquement à distance un objet passif sur orbite, mais sur le principe, si on savait le faire, ce serait efficace pour modifier la trajectoire.

lambda0 a écrit:Pourquoi veux-tu faire alterner la polarité ? Les particules électrisées finissent par suivre les lignes de champ pour aboutir aux pôles, plus ou moins vite suivant le vecteur vitesse initial, c'est ce qui produit les aurores polaires.

Oui mais là tu parles de particules arrivant sur le plan de l'écliptique (vents solaires), càd grossièrement perpendiculaire à l'axe des poles N/S. Pour un objet en orbite, la trajectoire autour de la Terre fait qu'on alterne très vite entre hémisphère bord et sud. Un débris chargé (+) va être repoussé par le pôle nord, attiré par le pôle sud, et l'effet s'annule sur une orbite, à peu de choses près, non ?

C'est pour ça que j'ai précisé plus ou moins vite suivant le vecteur vitesse initial.

La fenêtre atmosphérique permet de connaître le pourcentage d'un rayon qui parvient à traverser l'atmosphère, ce taux est principalement fonction de la longueur d'onde : Fenêtre atmosphérique sur Wikipedia

On doit pouvoir modéliser avec ceci, et en fonction du rayon choisi et de la puissance d'émission, les effets sur la cible. Je vais voir si je trouve un tableau numérique de cette fenêtre atmosphérique.

lambda0 a écrit:
Un satellite est en chute libre dans le champ de gravité...
Et 0.38 N appliqué en permanence, c'est beaucoup, une sonde de plus d'une tonne comme Dawn dispose de beaucoup moins que cela, tout comme les dizaines de satellites équipés de propulseurs ioniques.
Pour ce qui est du sens de la force et des effets cumulatifs, voir réponse à Thierz plus haut.

Pour le coup, je ne suis pas convaincu.
La chute libre est la conséquence de l'action de toutes les forces (en général il n'y a que la force gravitationnelle) et de la vitesse initiale. S'il y a une nouvelle force en jeu et qu'elle vaut 100 fois moins que l'autre, l'impact sera faible, sauf si le satellite est en orbite très basse.
Pour les satellites mus par la propulsion électrique, c'est pour procéder à des petites corrections justement. Parfois, il y a des corrections importantes, pour le désorbiter justement, elles durent plusieurs heures, voire même des jours ou des mois s'il faut aller en orbite haute par exemple.
Dans le cas présent, si on est en orbite à 400 km par exemple, on a grosso modo 1/4 d'heure de poussée à peu près dans la même direction. Si ce 1/4 d'heure n'a pas suffi à amener le satellite à 200 km pour que le freinage atmosphérique soit conséquent, à l'orbite suivante, le champ magnétique agira dans l'autre sens.
Cette trajectoire n'a rien à voir avec celle des particules chargées qui font des A/R sur des lignes de champ qui ne correspondent pas à des orbites. Au passage, j'avoue mal comprendre pourquoi elles finissent par atterrir au pôle si elles sont dans un cycle qui les maintient à haute altitude, car je ne vois pas où sont les forces de frottement (what else) qui conduisent à des changements de trajectoire. Peut-être que les fluctuations du champ magnétique terrestre expliquent ce comportement (la vitesse des particules approche parfois 0), mais dans ce cas, je ne crois pas qu'on puisse extrapoler un comportement similaire pour un objet véritablement en orbite, dont la vitesse reste très grande et dont la trajectoire ne suit pas une ligne de champ.

Argyre a écrit:

lambda0 a écrit:
Un satellite est en chute libre dans le champ de gravité...
Et 0.38 N appliqué en permanence, c'est beaucoup, une sonde de plus d'une tonne comme Dawn dispose de beaucoup moins que cela, tout comme les dizaines de satellites équipés de propulseurs ioniques.
Pour ce qui est du sens de la force et des effets cumulatifs, voir réponse à Thierz plus haut.

Pour le coup, je ne suis pas convaincu.
La chute libre est la conséquence de l'action de toutes les forces (en général il n'y a que la force gravitationnelle) et de la vitesse initiale. S'il y a une nouvelle force en jeu et qu'elle vaut 100 fois moins que l'autre, l'impact sera faible, sauf si le satellite est en orbite très basse.
Pour les satellites mus par la propulsion électrique, c'est pour procéder à des petites corrections justement. Parfois, il y a des corrections importantes, pour le désorbiter justement, elles durent plusieurs heures, voire même des jours ou des mois s'il faut aller en orbite haute par exemple.
Dans le cas présent, si on est en orbite à 400 km par exemple, on a grosso modo 1/4 d'heure de poussée à peu près dans la même direction. Si ce 1/4 d'heure n'a pas suffi à amener le satellite à 200 km pour que le freinage atmosphérique soit conséquent, à l'orbite suivante, le champ magnétique agira dans l'autre sens.
...

La force de Lorentz est le produit vectoriel de la vitesse par le champ. Dans le cas simplifié où la vitesse n'a initialement pas de composante radiale, la force résultante est à peu près radiale (tant que la composante radiale du champ est négligeable, donc pas au voisinage des pôles). Fait un schéma.
L'objet tend à essayer de décrire une trajectoire circulaire autour des lignes de champ, ce qui le ferait périodiquement plonger dans l'atmosphère, si la charge électrique est assez importante.
Par ailleurs, une fois que l'objet a acquis une charge électrique, la force de Lorentz s'exerce de façon permanente.

Space Opera a écrit:Vaporiser les petits débris avec votre laser pourrait être efficace. Quant à propulser les gros, il faut vraiment un laser puissant. De quoi faire un joli trou sur 100km d'atmosphère !

Il suffit peut être de juste déformer l'orbite des gros débris  de façon  à ce que leur périgée leur fasse frôler l'atmosphere. Alors ils seront éliminés.

D'où la question : Peut on   en tirant  au laser ces gros débris  arriver à ce résultat ? Je m'embrouille dans la mécanique orbitale et je sèche :wall:

Si c'est possible les militaires adoreraient !

galacsi a écrit:

Space Opera a écrit:Vaporiser les petits débris avec votre laser pourrait être efficace. Quant à propulser les gros, il faut vraiment un laser puissant. De quoi faire un joli trou sur 100km d'atmosphère !

Il suffit peut être de juste déformer l'orbite des gros débris  de façon  à ce que leur périgée leur fasse frôler l'atmosphere. Alors ils seront éliminés.

D'où la question : Peut on   en tirant  au laser ces gros débris  arriver à ce résultat ? Je m'embrouille dans la mécanique orbitale et je sèche :wall:

Si c'est possible les militaires adoreraient !

C'est possible et ça déjà eu lieu, mais pas au laser, plutôt avec un missile. Je pense que le plus simple est de viser une zone approximative de passage et de faire exploser le missile à cet endroit ou légèrement devant. Avec une bonne dispersion, on touche plus facilement, même si ce n'est pas bien centré.
Au laser, en connaissant les paramètres orbitaux avec grande précision et avec des données récentes obtenues avec GPS, il est sans doute possible de viser juste devant et d'attendre que le satellite passe dans le rayon. Il ne faudrait pas que ça tremble d'un micromètre pour le laser ... sinon, on peut aussi tenter au prochain passage ...

Certes, j'ai oublié plein de choses en physique, mais pas le produit vectoriel associé à la force de Lorentz.
Effectivement, un schéma s'imposait. Prenons l'exemple simple d'un dipôle et d'un satellite tournant autour de la Terre avec une orbite qui suit l'équateur. Tu as raison, la force est radiale et j'avais oublié un petit détail, c'est que si la force de Lorentz a bien une direction opposée lorsqu'on s'intéresse au point symétriquement opposé par rapport au centre de la Terre, comme on est de l'autre côté, et bien on a une symétrie centrale de l'effet.
Autrement dit, on a 2 solutions pour cette force radiale :
- soit elle continue à faire plonger le satellite vers la Terre
- soit elle continue à l'en éloigner si le satellite tourne dans la direction opposé
Tout cela en grosse approximation, car la Terre est loin d'être un dipôle parfait.
Reste une question fondamentale : les satellites tournent en général dans le même sens. Donc cette fameuse force est-elle en général tournée vers la Terre ou au contraire vers l'extérieur ?
Sur mon schéma, les satellites vont vers l'est et les lignes de champ vont du sud au nord (le nord magnétique est en bas), ce qui suggère, sauf erreur, qu'on est dans le 2ème cas. Autrement dit, les satellites ont tendance à s'éloigner ...
Quelqu'un peut-il confirmer ?

Bonne remarque Argyre, j'ai trouvé cette page sur internet qui va dans ton sens : http://sciences-physiques.ac-dijon.fr/archives/astronomie/Systemes_cable/satellites/Lorentz.htm


Par contre je suis étonné que le pôle nord soit affiché sud sur cette image...

Sur ton schéma, la force est dirigée vers la Terre ;)
En fait, le sens dépend du signe de la charge électrique, avec une charge négative, la force est initialement dirigée vers la Terre, avec une charge positive vers l'espace, pour un objet se déplaçant vers l'est.
J'écris "initialement", parce qu'après, ça se complique lorsque la trajectoire se déforme et que la vitesse de l'objet acquiert une composante radiale.

Sur le schéma la force est appliquée à une particule chargée (e-) c'est pour ça. Pour notre débris ionisé par ablation d'électrons c'est l'inverse.

En ce qui concerne la désorbitation de petit débris spatiaux par rayonnement électromagnétique (... reprend sa respiration...), un des spécialistes français sur la question est Christophe Bonnal (CNES). Il a écrit plusieurs articles (de niveau tout à fait abordable sur la question).

On peut notamment citer :
- Removing Orbital Debris with Lasers : https://arxiv.org/abs/1110.3835
- A spaceborne, pulsed {UV} laser system for re-entering or nudging {LEO} debris, and re-orbiting {GEO} debris : http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0094576515300485 (malheureusement payant).

Ce qu’il faut retenir c’est :
Ces deux systèmes utilisent un laser suffisamment puissant pour ablatir un débris et créer une petite poussée.
Ils peuvent traiter de nombreux débris simultanément
Le faire depuis le sol est délicat du fait des perturbations atmosphériques (sans parler de la visée)

Le second document décrit une solution basée dans l’espace.
Il y a trois scénarios évoqués :
– petit débris (50 g) en basse orbite (800 km) : il ne faut qu’une passe de dix secondes dans le meilleur cas
– gros débris en basse orbite : le système peut être utilisé en système de secours pour éviter une collision.
– De gros débris en GEO : C’est surprenant, mais deux satellites munis de laser pourraient gérer des débris de taille plus importante (jusqu’à trois tonnes). Il n’aurait pas besoin d’une énergie folle (36 kW pour le laser). Ils placeraient les satellites sur des orbites-cimetières.

Bon après ce n’est pas un petit pointeur laser. On parle d’un laser de 36 kW, avec un système optique de 3 m de diamètres, qui doit contrôler sa surchauffe, etc. (En tout, le satellite est estimé autour de 3 t).


En source intéressante et facile d'accès, il y a le workshop organisé par Christophe Bonnal : http://iaaweb.org/iaa/Scientific%20Activity/debrisminutes09143.pdf


P.S : la plus part des débris dangereux sont sur des orbites polaires et il ne sont pas tout métallique (kelvar par exemple). Cela réduit de beaucoup l'efficacité de la solution par effet Hall. J'avais fait une simulation sur la retrait de gros débris en utilisant des EletroDynamic Tether (EDT).

[mod]Transformation en lien cliquable de l'Url vers le papier d'arXiv.org
Henri[/mod]

Space Opera a écrit:Si c'est possible les militaires adoreraient !

C'est vrai que cela peut avoir des applications militaires. Mais la possibilité de retirer un satellite de son orbite est aussi une potentielle arme. Il va falloir une certaine diplomatie pour déployer ces solutions.

Le vrai problème est surtout diplomatique. Aucun pays n'a envie qu'un autre affecte les orbites de ses charges utiles, seraient elles désactivées... Seul un organisme international pourrait avoir le droit de valider des tirs de laser pour désorbiter des débris spatiaux...

C'est passionnant, ThomasAur, merci pour ce petit tour d'horizon de solutions et de calculs déjà envisagés. Ça me rassure presque de savoir que d'autres ont eu et creusé cette idée, ça veut dire qu'elle n'est pas si folle que ça :D