Depuis des décennies, les scientifiques tentent de déterminer le nombre minimum de satellites qui pourraient voir tous les points de la Terre. Cette question est motivée en partie par le problème croissant des débris spatiaux, mais aussi par des considérations de coût et d'efficacité. Vers le milieu des années 1980, le chercheur John E. Draim a proposé une solution à ce problème dans une série d'études, affirmant qu'une constellation à quatre satellites était tout ce qui était nécessaire.
Malheureusement, sa solution n'était tout simplement pas pratique à l'époque, car une énorme quantité de propulseur serait nécessaire pour maintenir les satellites en orbite. Mais grâce à une récente étude collaborative, une équipe de chercheurs a trouvé la bonne combinaison de facteurs pour rendre possible une constellation à quatre satellites. Leurs résultats pourraient conduire à des progrès dans les télécommunications, la navigation et la télédétection tout en réduisant les coûts.
L'étude qui décrit leurs résultats a récemment été publiée dans la revue Communications Nature et était dirigé par Patrick Reed, professeur de génie civil et environnemental à l'Université Cornell. Reed a été rejoint par des ingénieurs et des scientifiques de The Aerospace Corporation et de l'Université de Californie à Davis, avec le soutien de la National Science Foundation (NSF).
Pour répondre à la question de savoir comment maintenir une constellation fonctionnelle avec un nombre minimum de satellites, l'équipe a examiné tous les facteurs qui provoquent la désorbitation des satellites au fil du temps. Ceux-ci incluent le champ de gravité de la Terre, la traînée atmosphérique, l'influence gravitationnelle de la Lune et du Soleil et la pression du rayonnement solaire. Comme l'explique Reed:
«L'une des questions intéressantes que nous avions était: pouvons-nous réellement transformer ces forces? Au lieu de dégrader le système, pouvons-nous réellement le renverser de telle sorte que la constellation récupère de l'énergie de ces forces et les utilise pour se contrôler activement? »
L'étude collaborative a réuni l'expertise de The Aerospace Corporation en astrophysique de pointe, en logistique opérationnelle et en simulation avec l'expertise de Reed en matière d'outils de recherche informatique basés sur l'IA. L'équipe s'est également appuyée sur le supercalculateur Blue Water à l'Université de l'Illinois pour passer au crible des centaines de milliers d'orbites possibles et de combinaisons de perturbations.
Comme Lake A. Singh, le directeur des systèmes du département Future Architectures de The Aerospace Corporation, a expliqué:
«Nous avons tiré parti de l’expertise en conception de constellation d’Aérospatiale avec le leadership de Cornell dans l’analyse de recherche intelligente et nous avons découvert une alternative opérationnelle à la conception de constellation Draim. Ces conceptions de constellation peuvent fournir des avantages substantiels aux planificateurs de mission pour les concepts sur les orbites géostationnaires et au-delà. »
Au fil du temps, l'équipe a pu réduire ses conceptions de constellation à deux modèles. Dans un cas, les satellites pourraient orbiter pendant une période de 24 heures et atteindre une couverture mondiale de 86%. De l'autre, les satellites orbiteraient pendant une période de 48 heures et atteindraient une couverture de 95%. Bien que les deux aient chuté de 100%, l'équipe a constaté que le fait de sacrifier une petite marge de couverture entraînerait un compromis important.
Cela inclut la capacité d'exploiter plus d'énergie à partir du même rayonnement gravitationnel et solaire qui rendrait normalement les satellites difficiles à contrôler et provoquer la décomposition de leurs orbites. De plus, les opérateurs de satellites seraient en mesure de contrôler où les lacunes de couverture se produiraient et celles-ci ne dureraient que 80 minutes au maximum. Comme l'a dit Reed, ce compromis en vaut la peine:
«C'est l'une de ces choses où la recherche de la perfection pourrait en fait entraver l'innovation. Et vous n'abandonnez pas vraiment une quantité dramatique. Il peut y avoir des missions où vous avez absolument besoin d'une couverture de partout sur Terre, et dans ces cas, il vous suffirait d'utiliser plus de satellites ou de capteurs en réseau ou de plates-formes hybrides. »
Les autres avantages de ce type de contrôle satellite passif incluent la manière dont il pourrait potentiellement prolonger la durée de vie d’une constellation de 5 à 15 ans. Ils nécessiteraient également moins de gaz propulseur et pourraient flotter à des altitudes plus élevées, réduisant ainsi le risque d'impact avec des engins spatiaux et d'autres objets en orbite. Mais le principal argument de vente est la rentabilité de cette configuration par rapport aux constellations de satellites conventionnelles.
Cela le rend particulièrement attrayant pour les nations ou les entreprises aérospatiales commerciales qui n'ont pas les ressources financières nécessaires pour déployer de grandes constellations.
«Un seul satellite peut coûter des centaines de millions ou des milliards de dollars, selon les capteurs qui s'y trouvent et son objectif. Donc, avoir une nouvelle plate-forme que vous pouvez utiliser dans les missions existantes et émergentes est plutôt bien. Il y a beaucoup de potentiel pour la télédétection, les télécommunications, la navigation, la détection et la rétroaction à large bande passante dans l'espace, et cela évolue très, très rapidement. Il y a probablement toutes sortes d'applications qui pourraient bénéficier d'une constellation de satellites à longue durée de vie et auto-adaptative avec une couverture quasi mondiale. "
Cette étude ne résout pas seulement une question en cours sur la couverture satellite et le maintien des constellations. Il est également destiné à stimuler les progrès dans les télécommunications, la navigation et la télédétection. Dans un avenir proche, d'innombrables satellites seront envoyés dans l'espace pour fournir Internet par satellite (constellation Starlink de SpaceX), mener des expériences scientifiques et surveiller l'atmosphère et la surface de la Terre.
Entre cela et les préoccupations liées aux débris spatiaux, être capable de faire plus avec moins (et pour moins d'argent) sera très utile!
