Des robots en orbite pourraient aider à réparer et à alimenter les satellites dans l'espace

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Pendant plus de 20 ans, le satellite Landsat 7 a tourné autour de la Terre toutes les 99 minutes environ, capturant des images de presque toute la surface de la planète tous les 16 jours. L'un des nombreux engins qui ont observé l'évolution du globe, il a révélé la fonte des glaciers au Groenland, la croissance des élevages de crevettes au Mexique et l'ampleur de la déforestation en Papouasie-Nouvelle-Guinée. Mais lorsque Landsat 7 a manqué de carburant, sa vie utile s'est terminée. Dans l'espace, l'entretien régulier n'a pas été une option.

Aujourd'hui, cependant, la NASA dispose d'une solution potentielle pour ces satellites affaiblis. Dans quelques années, l'agence prévoit de lancer un robot en orbite et de le manœuvrer jusqu'à ce qu'il soit à portée de main de Landsat 7. Le robot utilisera un bras mécanique pour l'attraper et le ravitailler en carburant, en plein vol.

Si elle réussit, la mission marquera une étape importante : c'est la première fois qu'un satellite sera ravitaillé dans l'espace. Cette mission n'est que l'une des nombreuses initiatives publiques et privées prévues pour utiliser des robots afin de réparer et d'améliorer les milliards de dollars de satellites en orbite.

À terme, des efforts de ce type pourraient déboucher sur des satellites plus performants et moins chers qui réduiraient le coût de l'internet et des réseaux de téléphonie mobile, fourniraient de meilleures prévisions météorologiques et offriraient des vues inédites sur les changements planétaires et l'univers. Ils pourraient même permettre une nouvelle vague de construction en orbite, avec des armées de robots construisant des satellites, des stations spatiales et même des vaisseaux spatiaux destinés à Mars.

Prolonger la vie des satellites

Actuellement, il y a environ 4 852 satellites en orbite qui jouent un rôle crucial dans les communications, la télédétection et d'autres tâches. Presque tous ont été lancés en sachant qu'en cas de panne, il n'y avait aucun moyen de les réparer. La plupart des satellites ont également besoin de carburant pour ajuster occasionnellement leur orbite. Une fois ce carburant épuisé, ils risquent de devenir des déchets spatiaux, qui viendront s'ajouter au flot déjà considérable de débris qui encerclent le globe.

"Imaginez que vous allez acheter une voiture demain", explique Brian Weeden, responsable d'un groupe industriel appelé Consortium for Execution of Rendezvous and Servicing Operations (CONFERS). "Et vous devez garder à l'esprit que vous ne pourrez jamais mettre plus d'essence dans la voiture. Vous ne pourrez jamais changer l'huile. Vous ne pourrez jamais entretenir ou réparer quoi que ce soit. Et vous devez l'utiliser pendant les dix prochaines années. Maintenant, à quel point pensez-vous que cette voiture va être chère et compliquée ? C'est exactement ce que nous avons fait avec les satellites".

Pour que les satellites fonctionnent le plus longtemps possible, les ingénieurs construisent des systèmes redondants et embarquent autant de carburant qu'ils le peuvent. Toute cette ingénierie excessive augmente les coûts de construction et de lancement des satellites - un satellite de communication moderne peut coûter environ 500 millions de dollars.

Presque toutes les constructions et réparations effectuées dans l'espace jusqu'à présent ont été réalisées, au moins en partie, par des astronautes, notamment les réparations du télescope spatial Hubble et la construction de la station spatiale internationale. Mais envoyer des humains dans l'espace est extrêmement coûteux, c'est pourquoi les efforts pour développer des robots pour faire le travail ont augmenté ces dernières années.

"Ce que nous aimerions vraiment faire, c'est avoir un moyen d'avoir un mécanicien robotique dans l'espace qui puisse réparer les satellites lorsqu'ils tombent en panne", déclare Carl Glen Henshaw, chef de la section robotique et apprentissage automatique au Laboratoire de recherche navale des États-Unis.

Des robots à la rescousse

Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont progressé vers cet objectif. Dans le cadre d'un projet de démonstration de la NASA en 2007, une paire d'engins spécialement construits s'est amarrée en orbite et a transféré du carburant. Plus récemment, en 2020, la société aérospatiale Northrop Grumman a lancé avec succès deux "véhicules d'extension de mission", équipés de leurs propres moteurs et carburant, qui se sont attachés à deux satellites commerciaux et les ont propulsés sur de nouvelles orbites.

Deux nouvelles missions, qui devraient être lancées au cours de cette décennie, permettront d'aller encore plus loin. Ces projets de démonstration utiliseront des robots semi-autonomes équipés de bras mécaniques pour ajouter du carburant aux satellites en orbite, voire pour effectuer des réparations simples.

Pour sa part, M. Henshaw travaille sur le projet Robotic Servicing of Geosynchronous Satellites, une mission financée par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des États-Unis. S'il réussit une démonstration prévue pour 2024, ce sera la première fois qu'un engin robotique réussira à s'emparer d'un satellite qui n'a pas été spécifiquement conçu pour s'y amarrer. M. Henshaw et ses collègues ont récemment examiné certains des défis liés à l'entretien des satellites par des robots spatiaux dans l'Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems.

Ces défis sont nombreux. Les satellites existants n'ayant jamais été conçus pour être entretenus, ils sont dépourvus de repères, appelés "fiduciaires", qui permettraient à un robot de s'orienter visuellement par rapport au satellite en mouvement. Il n'y a pas non plus d'éléments de fixation auxquels le robot pourrait s'accrocher. Et les parties du satellite qui dépassent, comme les antennes et les panneaux solaires, sont généralement trop fragiles pour être saisies.

Un autre problème est le décalage temporel entre le robot et la Terre. Pour un robot opérant en orbite géosynchrone, à environ 35 000 kilomètres d'altitude, la distance et le traitement des signaux créent un délai de communication de plusieurs secondes entre le robot et ses contrôleurs sur Terre. Le robot devra donc s'occuper seul des tâches les plus cruciales.

D'un autre côté, le travail peut s'appuyer sur les bras robotiques existants dans l'espace, dont deux sont actuellement utilisés sur la Station spatiale internationale.

Pour une mission de démonstration, Henshaw et ses collègues ingénieurs prévoient de choisir l'un des milliers de vieux satellites inactifs "parqués" sur des orbites éloignées. Un robot se mettrait sur l'orbite du satellite et manœuvrerait jusqu'à environ deux mètres, à l'aide de caméras et d'un télémètre laser. Lorsqu'il est suffisamment proche, le robot utilise l'un de ses deux bras pour saisir un anneau d'aluminium qui a précédemment ancré le satellite au véhicule de lancement.

L'autre bras robotique serait capable d'enfoncer et de pousser les cellules solaires ou les antennes qui ne se sont pas déployées correctement - un problème qui se produit tous les deux ou trois ans, selon M. Henshaw. Et il pourrait fixer de nouveaux instruments à l'extérieur des satellites, comme des émetteurs, des caméras ou des antennes plus puissants.

Quelque temps après 2025, la NASA prévoit de lancer un robot encore plus ambitieux. Le robot OSAM-1 (On-orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing 1) gèrera d'abord une opération complexe de ravitaillement d'un satellite existant. Il démontrera ensuite qu'il peut construire des structures entièrement nouvelles dans l'espace.

Landsat 7 sera le premier sur la liste des tâches d'OSAM-1. Lancé en 1999 par l'US Geological Survey en orbite terrestre basse, à environ 700 kilomètres d'altitude, le travail du satellite a été repris par des satellites plus avancés. Mais il offre aux scientifiques l'occasion de tester le ravitaillement robotique.

"Il y a une vingtaine d'années, les techniciens ont fait le plein du satellite en vue de son lancement et ils n'ont jamais pensé que quelqu'un toucherait à nouveau cette interface", explique Brent Robertson, responsable du projet OSAM-1 à la NASA.

OSAM-1 utilisera son bras robotique pour découper une couche d'isolant, couper deux fils et dévisser un boulon avant de brancher un tuyau et de pomper 115 kilogrammes d'hydrazine, explique Robertson.

Bien que la réparation et l'entretien des satellites existants soient l'objectif le plus immédiat, l'assemblage et la fabrication en orbite sont potentiellement plus importants à long terme.

OSAM-1, par exemple, a une mission supplémentaire qui transportera un robot distinct appelé Space Infrastructure Dexterous Robot (SPIDER), conçu pour démontrer qu'il peut assembler des objets dans l'espace. La première tâche de SPIDER sera d'assembler une antenne de trois mètres en sept pièces qu'il a transportée en orbite.

En utilisant un processus similaire à l'impression 3D, OSAM-1 cherchera également à montrer qu'il peut construire des composants structurels à partir de rien, en créant des poutres composites solides mais légères à partir de bobines de fibres de carbone et d'autres textiles. De telles poutres pourraient être connectées pour former les composants structurels d'un satellite ou d'autres structures en orbite.

Si les missions en cours de planification sont couronnées de succès, la robotique pourrait ouvrir une nouvelle ère de construction spatiale, aujourd'hui inabordable : dépôts de carburant, opérations minières dans l'espace, stations spatiales plus spacieuses pour le tourisme spatial et même vaisseaux spatiaux vers Mars construits en orbite.

"Nous voulons démontrer que nous pouvons construire ces choses. Personne ne l'a fait auparavant", déclare Robertson. "Si vous avez la capacité d'assembler des choses dans l'espace, vous pouvez apporter vos propres matériaux, ou vous faire envoyer des matériaux. Et vous pouvez construire des choses beaucoup plus grandes".

Kurt Kleiner

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.