Un groupe d’ingénieurs pense avoir trouvé un moyen moins coûteux d’utiliser des satellites à haute altitude pour assurer une couverture mondiale.
Malgré ce que SpaceX et d’autres entreprises suggèrent avec des projets comme Starlink, vous n’avez pas besoin de méga-constellations comprenant des milliers de satellites – et toutes les aggravations qu’ils causent – pour fournir une couverture Internet au monde entier. Nous savons depuis les années 1980 que si vous êtes d’accord pour vous contenter d’une connexion à un niveau inférieur à celui des joueurs (environ une demi-seconde de retard), alors une couverture mondiale continue est possible avec une constellation de seulement quatre satellites placés à des altitudes beaucoup plus élevées.
Mais HughesNet et ViaSat, les plus grands fournisseurs d’internet par satellite qui opèrent sur ces orbites, n’offrent rien qui se rapproche de la couverture mondiale. D’autres réseaux de satellites qui fournissent des services de télédétection et de navigation sont également loin de répondre à cette norme. Qu’en est-il ?
Il n’est pas surprenant que le principal obstacle soit le coût. Plusieurs facteurs contribuent à dégrader l’orbite d’un satellite. Il s’agit notamment de la traînée naturelle, des perturbations du champ de gravité de la Terre, de l’attraction gravitationnelle parasite du soleil et de la lune, et même de la pression causée par le rayonnement solaire. Pour combattre ces problèmes, il faut une quantité énorme de propergol sur le satellite pour stabiliser constamment son orbite, une quantité qui double généralement la masse du satellite. Les coûts de fabrication, de lancement et d’exploitation sont tout simplement trop élevés pour l’astuce des quatre satellites.
Une nouvelle étude menée par des ingénieurs de l’Aerospace Corporation et publiée dans Nature Communications propose une approche contre-intuitive qui transforme ces forces dégradantes en forces qui contribuent réellement à maintenir ces satellites en orbite. Si elle fonctionnait, cela signifierait que quatre satellites seulement pourraient assurer une couverture mondiale continue pour une fraction du coût.
Actuellement, les orbites de ces satellites sont elliptiques, et les forces du soleil et de la lune créent des instabilités qui brisent la constellation au fil du temps. Patrick Reed, de l’université Cornell, et ses collègues voulaient rendre les orbites plus circulaires, permettant aux satellites de se déplacer avec moins de manœuvres de propulsion et des besoins en carburant plus faibles. Et ils voulaient le faire de telle sorte que les satellites puissent encore assurer une couverture presque mondiale.
L’équipe a effectué des simulations pour déterminer quels types de configurations orbitales pourraient le mieux transformer les forces dégradantes en forces favorisant une orbite circulaire stable. Les cas où, par exemple, la gravité du soleil séparerait normalement la constellation pourraient maintenant lier la constellation ensemble. Les simulations ont été réalisées pour des constellations de quatre satellites qui passeraient au moins 6 000 jours (16,4 ans en orbite).
Après avoir analysé les simulations à l’aide du supercalculateur Blue Waters de l’université de l’Illinois à Urbana-Champaign, l’équipe a trouvé deux modèles qui pourraient fonctionner. Dans l’un, la constellation effectue une orbite en 24 heures, à une altitude de 35000 km, et assure une couverture continue sur environ 86% du globe. L’autre fonctionne sur une période de 48 heures à une altitude de 68000 km et couvre 95% du globe. Toute zone ayant subi des pannes ne serait pas confrontée à plus de 80 minutes d’interruption par jour.
Il est vrai que les vitesses de l’internet seraient plus lentes en raison du temps supplémentaire nécessaire pour envoyer le signal à partir d’une orbite beaucoup plus élevée. « Pour la plupart des personnes qui utilisent des systèmes de données, cependant, un quart de seconde de retard supplémentaire est difficile à détecter, car il y a tant d’autres retards dans les ordinateurs et les réseaux de données », déclare Roger Rusch, le président de la société de conseil en télécommunications TelAstra.
Dans ces systèmes, les satellites (pesant chacun environ 1,2 tonne) auraient besoin d’environ 60% de propergol en moins sur toute la période de 6000 jours que s’ils étaient en orbite dans des configurations plus conventionnelles, ce qui pourrait réduire leur masse de plus de la moitié et faciliter grandement leur construction et leur lancement. Cela pourrait également permettre d’installer de meilleurs systèmes d’instrumentation et d’alimentation (les satellites de haute altitude ont besoin de plus de puissance pour renvoyer des signaux vers la Terre).
Selon Patrick Reed, ces travaux ont été motivés par le désir de laisser des pays ou des entreprises plus petits exploiter des constellations qui offrent une couverture quasi-continue. L’argument est qu’avec des coûts réduits, il serait plus facile pour ces groupes de construire, lancer, exploiter et suivre seulement quelques satellites sur une orbite plus élevée, par rapport à une constellation tentaculaire de milliers de satellites en orbite basse.
Des experts comme Roger Rusch sont optimistes quant aux conclusions de la nouvelle étude : il affirme que les coûts d’investissement et d’exploitation d’un système de satellites LEO sont trois à cinq fois plus élevés que ceux d’un système de haute altitude ayant la même capacité. Les astronomes et les experts en débris spatiaux qui s’inquiètent des effets négatifs de projets comme Starlink pourraient également apprécier le concept.
D’autres sont un peu plus prudents. Anton Dolgopolov, un analyste senior de la société d’analyse et d’ingénierie Bryce Space and Technology, souligne que les systèmes LEO présentent encore quelques avantages puissants – par exemple, ils permettent d’assurer plus facilement la couverture des communautés situées à proximité des pôles. En outre, dans un réseau composé de centaines ou de milliers de satellites, le service ne sera pas vraiment interrompu si quelques-uns ne sont pas lancés ou ne fonctionnent pas correctement. Et les satellites LEO peuvent être désorbités et remplacés beaucoup plus rapidement.
En d’autres termes, les nouveaux modèles ne sont que des possibilités théoriques, aussi intéressantes soient-elles. Dans le monde réel, les obstacles techniques et économiques pourraient réduire les espoirs d’une solution facile.
