Grand Oral Physique pollution spatiale

Quels sont les risques d'envoyer beaucoup de satellites en orbite autour de la Terre ?

Les hommes, depuis 1957, envoient des satellites en orbite autour de la Terre. Il y a actuellement plus de 6000 satellites au dessus de nos têtes dont seulement 2700 sont fonctionnels. Parmi eux, on retrouve des satellites de télécommunication, des satellites d'observations de la Terre, des satellites météo et des satellites de localisation. 2/3 de ces satellites sont dans l'orbite terrestre basse, c'est-à-dire situé à une altitude allant de 300km à 2500km. De nos jours, la fréquence des lancements de satellites est très soutenue, comme en témoigne, entre autres, le lancement des 60 satellites Starlink tous les mois par Space X. C'est pourquoi je me suis demandé si il existait des risques à envoyer beaucoup de satellite en orbite autour de la Terre.

La pollution spatiale est la dégradation de l'environnement spatial causée par les activités humaines liés à l'exploration spatiale. Autour de la Terre gravitent des satellites fonctionnels, mais aussi des étages de fusée et des fragments de toute sorte. On compte aujourd'hui plus 140 millions de débris de toute sorte et de toute taille mais seul ceux mesurant plus de 10cm sont tracables depuis la Terre. La tracabilité des débris est nécessaire car elle permet de prévoir des manœuvres d'évitement aux satellites fonctionnels ou bien aux stations spatiales. Les manœuvres d'évitement sont décidés au sol par des ingénieurs surveillance de l'espace.  Comme ces déchets gravitent à environ 8 km/s, ils possèdent une énergie cinétique importante et ils peuvent causer de tres gros dégâts, et créer de nouveaux débris en cas de collision. A titre de comparaison une collision avec un débris de 1 mm est équivalent en matière d’énergie à une collision avec une boule de bowling lancée à 100 km/h. Le problème pourrait devenir très grave si aucune mesure n'est prise. En effet, le syndrome de Kessler émet l'hypothèse qu'au delà d'une certaine quantité de débris, une réaction en chaine créerait une enveloppe de débris autour de la Terre et condamnerait toute tentative d'exploration spatiale.

Toutefois, il existe des méthodes pour diminuer le nombre de gros débris. Par exemple, il existe des satellites nettoyeurs qui munit d'un harpon et d'un filet, amènent les débris proche de l'atmosphère terrestre ou celles ci se désintègreront. Mais cette méthode est lente et couteuse. De plus, des législations préconisent d'emporter un supplément de carburant et des propulseurs pour désorbiter les satellites en fin de mission mais comme aucune sanction n'existe pour réprimer ceux qui ne respectent pas les règles, pas grand monde les appliquent.

Ensuite, grâce aux différentes lois que nous avons vu au cours de l'année, on peut étudier le mouement d'un satellite. Intéressons nous à un satellite de masse Ms effectuant un mouvement circulaire dans l'orbite basse terrestre. Ce mouvement sera étudié dans un référentiel géocentrique que l'on suppose galiléen et dans le repère de Frenet. On note r la distance entre le centre de la Terre et le satellite. Ce satellite n'est soumis qu'à la force d'interaction gravitationnelle exercée par la Terre sur le satellite et qui a pour expression (voir 1 du support). En appliquant le 2ème loi de Newton qui postule que la résultante des forces est égale à la masse du satellite fois le vecteur accélération, on obtiens comme expression du vecteur accélération (voir 2 du support). Le vecteur a est donc centripète, ce qui signifie que ce vecteur n'a pas de coordoonnée tangentiel et ainsi on en déduit que la vitesse est constante car dans le repere de Frenet, la coordoonnée tangentiel est égale a dv/dt. Le satellite a donc un mouvement circulaire uniforme.

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