Les retombées de la conquête spatiale dans notre vie quotidienne

12/05/2018
Publication REE REE 2018-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2018-2:22868
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Les retombées de la conquête spatiale dans notre vie quotidienne

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94 ZREE N°2/2018 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR « Sans satellite, la planète entière s’arrête », déclarait récemment le président du Centre national d’études spa- tiales (CNES), Jean-Yves Le Gall. Monsieur Dupont rentre chez lui par le TGV, il voyage en première classe sur un fauteuil dont la technologie est dérivée des programmes Apollo ; il répond à l’appel téléphonique de sa fille qui voyage en Argentine, le train ralentit en arrivant en gare utilisant des freins en maté- riau composite dérivé du spatial. Il monte dans un taxi qui le conduit jusque chez lui en suivant une route indi- quée par son GPS. Est-il conscient qu’il vient de voyager avec des technologies dues au développement des tech- niques spatiales ? Au cours du demi-siècle passé, nous avons connu plus d’avancées technologiques que depuis le reste de l’existence humaine. Il n’est pas question ici de comparer l’utilité de l’in- vention du feu ou de la roue avec les technologies mises en œuvre pour construire, lancer et exploiter les quelques 5 500 satellites qui orbitent autour de notre planète. Mais il nous faut bien constater que si notre mode de vie a considérablement été modifié en 50 ans, c’est grâce à un apport des technolo- gies spatiales dont nous ne sommes pas toujours suffisam- ment conscients. Les personnes nées après 1990 manipulent le smartphone mieux que leurs parents et ne conçoivent pas une existence sans lui ; l’ordinateur portable est d’utilisation quotidienne. Cependant nos concitoyens ignorent souvent la technologie qui confère à ces objets quelque chose de ma- gique. Lorsque j’ai dit à un chauffeur de taxi qui se plaignait du manque de précision de son GPS que c’était certainement parce qu’il ne captait pas un nombre suffisant de satellites, il m’a regardé comme si j’étais un martien ! Disons pour simplifier que l’apport des technologies spa- tiales est de deux ordres : les objets et les services. Si le dé- veloppement des panneaux solaires est le premier élément qui vient à l’esprit, des services comme la météorologie, le GPS, la téléphonie cellulaire et la télédiffusion sont égale- ment issus de la technologie spatiale. Mais l’origine d’autres avancées qui sont d’utilisation pourtant courante, est souvent peu connue. Citons entre autres et dans le désordre : les air- bags, les pompes à insuline, l’IRM, certaines prothèses médi- cales, les sièges de voiture ergonomiques, les outils sans fil, les robots domestiques, la couverture de survie en mylar, etc. Cet inventaire à la Prévert n’est pas exhaustif, il exclut les avancées purement scientifiques comme la connaissance du système solaire, et de l’Univers en général, qui a fait une avancée déterminante grâce à l’observation satellitaire et qui Les retombées de la conquête spatiale dans notre vie quotidienne Figure 1 : La ferme solaire de la Colle des Mées. Source : Internet. André Deschamps Ingénieur de recherche hors classe honoraire à l’Observatoire de Paris REE N°2/2018 Z 95 Les retombées de la conquête spatiale dans notre vie quotidienne pose autant de questions qu’elle n’en résout. A cela viennent s’ajouter les promesses commerciales comme le tourisme spatial ou dans un avenir proche la future exploitation des ressources naturelles de la Lune ou des astéroïdes. Une retombée bien connue : les cellules solaires Si l’application qui vient en premier à l’esprit est la cellule solaire photovoltaïque, son développement aurait pu se passer de l’apport des techniques spatiales car l’impact des politiques de promotion des énergies renouvelables y a joué un rôle déterminant. Disons que le spatial a été l’élément déclencheur. Le 17 mars 1958, six mois après le lancement de Spoutnik-1, les Américains effectuent le lancement de leur second satel- lite sur orbite terrestre, Vanguard 1. Il sera le premier appareil alimenté par des modules photovoltaïques. Cette sphère en aluminium était équipée de six cellules solaires d’environ 5 cm de côté alimentant un transmetteur indépendant de la batterie au mercure qui alimentait, elle, un autre transmet- teur. A noter qu’une forte contrainte des cellules spatiales est le refroidissement des grandes surfaces. Sur Terre, la convection est suffisante. Depuis Vanguard, le rendement des cellules photovoltaïques terrestres s’est amélioré pour atteindre, en panneaux, une valeur supérieure à 18 % avec des performances en laboratoire atteignant 46 %. Son uti- lisation est désormais la production d’énergie électrique à petite ou grande échelle. La téléphonie mobile La disparition de la dernière cabine téléphonique a son- né le glas du téléphone filaire. Et pourtant la plupart d’entre nous ont chez eux une « box » reliée à un réseau filaire par du cuivre ou de la fibre optique. Alors ? Il faut se rappeler l’histoire des premiers téléphones cellulaires (Cf. REE 2018- 1). L’idée de disposer d’un réseau téléphonique à couver- ture mondiale a été mise en œuvre pour la première fois par la constellation de satellites Iridium, mise en service le 1er novembre 1998. L’utilisateur disposait d’un terminal dont le poids et les dimensions n’ont rien à voir avec ceux d’un smartphone. Les tarifs élevés réservés aux professionnels et aux administrations postulaient un équilibre budgétaire avec 500 000 utilisateurs. Or ce nombre atteignait péniblement 55 000 en 1999. Si ce système existe encore aujourd’hui, il reste réservé à une utilisation professionnelle comme la marine ou l’aviation et Il n’existe plus que quatre réseaux de téléphonie par satellite opérationnels : Iridium et Globalstar qui s’appuient sur des constellations en orbite basse d’une part, Inmarsat et Thuraya reposant sur des satellites en orbite géostationnaire d’autre part. Le développement rapide du téléphone cellulaire terrestre GSM a vite concurrencé et remplacé ces systèmes dans le grand public. Le maillage du territoire par pays et son exploi- tation à bas coût en ont fait un standard dans tous les pays. Mais ce maillage terrestre, qui utilise des transpondeurs utili- sant le domaine hertzien, nécessite une continuité de terrain Figure 2 : Le satellite de téléphonie Globalstar – Source : ESA. 96 ZREE N°2/2018 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR avec une taille de maille variable, de l’ordre de la centaine de mètres à quelques kilomètres. C’est là que le spatial intervient pour transférer les communications (paroles et données) d’un continent à l’autre vers un autre système de mailles terrestres. Personne aujourd’hui ne s’étonne d’entendre un locuteur situé en Australie ou en Alaska avec une restitution sonore de haute qualité, qui sait que cette voix transite par une constellation de satellites ? La télédiffusion Le 11 Juillet 1962 fut pour la première fois établie entre les USA et l’Europe une liaison par télévison en direct. Ce premier exploit technique fut réalisé dans des conditions techniques extraordinaires. Grâce à la station de réception française installée à Pleumeur-Bodou, ces images furent captées pour être rediffusées sur le réseau de la RTF. Au- jourd’hui ces liaisons sont devenues tellement banales que quelques fractions de seconde de défaut de transmission sont considérées comme une erreur insupportable. Il est important de différencier les deux modes de liai- sons intercontinentales par satellite. La plus ancienne se fait entre agences de diffusion suivies d’une retransmission par chaque chaîne nationale sur le câble ou la TNT, comme par exemple les Jeux olympiques. Un autre mode qui est devenu commun est la réception directe sur notre récep- teur d’une émission provenant d’un satellite géostation- naire. Cette utilisation nécessite l’utilisation d’un récepteur satellite dont les antennes défigurent certains immeubles en milieu urbain. Mais pour le téléspectateur, les images ar- rivent d’un opérateur qui pilote le satellite qui se comporte comme un relais diffuseur hertzien terrestre avec la seule différence qu’il couvre plusieurs pays. Le gros avantage de ce système est que les zones à faible densité d’habitation sont desservies avec la même qualité que les zones à haute densité d’habitat. La météorologie La météorologie a fait une avancée fondamentale depuis qu’il est possible d’observer les nuages ou leur absence de- puis l’espace. Non seulement le satellite a rendu possible cette avancée, mais la technologie développée a permis de mesurer une grande quantité de paramètres physiques aussi bien de l’atmosphère que du sol. Il est ainsi possible de savoir une heure à l’avance s’il va pleuvoir sur une zone aussi réduite qu’un terrain de sport ou un champ de maïs. Les satellites météo permettent de prédire les catastrophes naturelles, comme les inondations, les orages, les tornades, les typhons. Ils permettent également de repérer des incen- dies ou d’analyser leur étendue. Les humains peuvent dans ces conditions êtres prévenus en amont et des mesures de protection peuvent être mises en place. Les systèmes de navigation maritimes et terrestres L’idée du GPS, Global Positioning System, est apparue dès le premier satellite, Spoutnik 1, mis en orbite le 4 octobre 1957. L’effet Doppler a permis de suivre les positions des premiers satellites. Ce même principe a permis d’élaborer le système de navigation maritime baptisé TRANSIT conçu pour les sous-marins. Le GPS quant à lui a été développé par la Défense américaine dans les années 1970, ce qui a conduit au lancement du premier satellite GPS en 1978. Figure 3 : Le satellite Telstar – Source : NASA. Figure 4 : Intégration du premier satellite Meteosat. Source : Aérospatiale. REE N°2/2018 Z 97 Les retombées de la conquête spatiale dans notre vie quotidienne La constellation GPS est constituée de 31 satellites dont une partie seulement est opérationnelle simultanément. Pour avoir en permanence au moins quatre satellites visibles en tout point du globe, il faut que 24 au moins des satel- lites soient opérationnels en même temps. Depuis 2011, ce nombre a été porté à 27 pour atteindre un meilleur niveau de couverture des zones desservies. Ces satellites évoluent à une altitude basse de 20 200 km qu’ils parcourent en un peu moins de 12 heures, soit un jour sidéral de 11 heures, 58 minutes et 2 secondes. Il existe aujourd’hui plusieurs concur- rents opérationnels : le russe Glonass, l’européen Galileo. D’autres arrivent sur le marché : Beidou, dénommé aussi Compass, est le système de positionnement développé par la Chine, opérationnel aujourd’hui uniquement sur le terri- toire chinois et les régions limitrophes ; IRNSS développé par l’inde et QZSS développé par le Japon. L’observation de la Terre Les satellites d’observation de la Terre sont nombreux et poursuivent des missions qui s’étendent du militaire à l’huma- nitaire. Cette voie a été ouverte en 1972 par les Américains avec le lancement de Landsat-1. Aujourd’hui l’Europe est bien positionnée avec les constellations Spot puis Pléiades, dotées d’une résolution au sol de 70 cm, et les satellites de surveillances militaires Hélios. Depuis quelques années, les microsatellites ont permis aux petites agences privées de venir concurrencer les agences na- tionales. Ces engins, pas plus gros qu’une boîte à chaussures, peuvent être fabriqués pour moins de 20 000 dollars. La performance de nouveaux outils d’analyse des données, souvent issus de l’intelligence artificielle, ouvre d’énormes horizons commerciaux. Les entrepreneurs peuvent proposer, en direct depuis l’espace, le suivi de flottes de navire, de populations déplacées, de cours d’eaux en crue, d’installa- tions industrielles, voire militaires, etc. Les services sont d’une grande variété : agriculteurs connectés, sociétés d’assurance cherchant à évaluer l’étendue des dégâts après le passage d’un ouragan, gouvernements inquiets de la multiplication d’îles artificielles chez leurs voisins, ONG spécialisées dans l’environnement, etc. On cite même l’exemple d’une chaîne de supermarchés américains qui utilise des microsatellites pour surveiller ses parcs de stationnement, mais aussi ceux de la concurrence... pour compter les voitures et savoir où en est la concurrence. En informatique Le développement des ordinateurs modernes, des lan- gages de programmation et des systèmes embarqués découle de la conquête spatiale, particulièrement des premiers vols habités, en particulier le programme Apollo dans les années 1960. L’ordinateur de vol des capsules Apollo a été le premier ordinateur au monde à circuits intégrés. S’il est évident que cette technologie était appelée à connaître un large dévelop- pement, la motivation du spatial a été ici aussi déterminante. Lors du développement du programme Apollo, les lan- gages de programmation n’existaient pas, tout était écrit à la main sur papier, puis transformé en cartes perforées, avant d’être finalement stocké sur mémoire à tores magnétiques. A comparer avec la facilité d’utilisation d’un ordinateur portable d’usage courant… En médecine C’est peut-être à la médecine que les avancées du spatial ont le plus apporté. Nous nous bornerons aux éléments les plus marquants. La minuscule pompe d’assistance ventriculaire, utilisée dans les cœurs artificiels, est dérivée des pompes à carbu- Figure 5 : Satellite Galileo IOVE-B – Source : ESA. Figure 6 : Image du naufrage du « Costa Concordia » sur la côte italienne par le satellite Pléiades – Crédit : CNES. 98 ZREE N°2/2018 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR rant de la navette spatiale américaine. Le premier cœur arti- ficiel français a été développé par des ingénieurs d’EADS et de MATRA. La conception des pompes à insuline s’inspire du concept du laboratoire biologique du vaisseau spatial Viking (1986) et plus précisément du bras robotique mécanique. Le système de recyclage des fluides, particulièrement de l’urine lors des missions Apollo, a servi à élaborer un nouveau système de dialyse de taille réduite et donc portable. L’auto- nomie des dialysés s’en est trouvée largement augmentée. Lorsque le télescope Hubble a été mis en orbite, il était myope et ses images étaient floues. Les ingénieurs ont alors mis au point un logiciel pour améliorer la lecture des images. Ce logiciel est aujourd’hui utilisé en radiographie pour détecter des tumeurs cancéreuses à un stade très précoce. C’est une technologie qui a permis de sauver des milliers de vie et qui justifie presque à elle seule l’investissement dans le spatial. Si la NASA n’a pas inventé l’IRM, cette agence en a grande- ment amélioré la technologie. Dans le milieu des années 1960, le Jet Propulsion Laboratory a mis au point un système de trai- tement d’images numériques afin de permettre aux ordinateurs d’agrandir les photos de la Lune. Aujourd’hui, ce procédé sert à créer et à améliorer les images des organes du corps humain dans les tomographies axiales informatisées et les IRM. Si la technologie des pacemakers a largement évolué cette dernière décennie, on doit se souvenir que le premier pacemaker utilise de nombreuses innovations développées par la NASA. Il intègre une batterie rechargeable à longue du- rée directement inspirée des systèmes électriques des vais- seaux Apollo avec une puce résultant de la miniaturisation développée grâce aux programmes spatiaux et un système de télémétrie bidirectionnelle utilisé pour communiquer avec les satellites depuis 1995. Certains alliages à mémoire de forme, en nickel et en titane, ont des propriétés intéressantes. Ils sont capables de revenir à leur état initial après avoir été déformés. Ils servent par exemple à fabriquer des stents, ces pe- tits tubes que l’on glisse dans les artères pour les empê- cher de se rétrécir. On réduit leur taille avant de les poser et ils reprennent leur forme sous l’action de la chaleur du corps. Certaines agrafes chirurgicales utilisent ce même matériau, développé à l’origine pour l’exploration spatiale. Les prothèses bénéficient également des matériaux conçus pour les fusées. Ainsi, l’athlète allemand Wojtek Czyz, qui concourait avec une prothèse de jambe améliorée par la technologie spatiale, a établi un record de saut en longueur aux Jeux paralympiques 2008 de Pékin en atteignant la dis- tance étonnante de 6,50 m, soit 27 cm de plus que le pré- cédent record. Les matériaux spatiaux présentent l’avantage d’être très résistants tout en étant plus légers que les produits conventionnels. Et encore dans bien d’autres domaines Les matériaux composites en carbone-carbone utilisé pour les tuyères des propulseurs d’appoints sont utilisés pour les systèmes de freinage des TGV. Le textile pare-flamme en fibre de kevlar qui protège contre les effets calorifiques du rayonnement thermique est utilisé dans les vêtements ignifugés à très haute résis- tance. Les textiles ignifugés utilisés pour les vêtements de protection, notamment ceux des pompiers, sont le résultat de recherches destinées à protéger les circuits électriques des fusées. Ils ont d’abord servi pour la conquête de l’espace, et plus précisément du programme Apollo. Ce textile était intégré aux combinaisons des spationautes pour les protéger des rayons du Soleil. Pour la première sortie dans l’espace en 1965, l’astronaute Edward White inaugura la combinaison G4C. Les matériaux à mémoire de forme sont utilisés pour nos matelas et notre qualité de sommeil s’en trouve grandement améliorée. Ces matériaux ont été développés pour réduire la force des impacts lors de l’atterrissage des vaisseaux. Ils sont aujourd’hui également utilisés pour les voitures, les casques de moto ou les selles de chevaux. Figure 8 : Un oreiller certifié spatial – Source : Internet. Figure 7 : Le premier pacemaker – Crédit : NASA. REE N°2/2018 Z 99 Les retombées de la conquête spatiale dans notre vie quotidienne Les matériaux à mémoire de forme en silicone et polyu- réthane sont capables de se comprimer au dixième de son volume avant de reprendre sa forme initiale. Il y a 40 ans, ils équipaient pour la première fois les coussins des sièges dans les vaisseaux spatiaux. Aujourd’hui ils permettent la fabrica- tion de matelas ou oreillers pour notre confort. Et demain : voyage dans la Lune Même si le tourisme spatial est encore limité à une poignée de privilégiés fortunés et en bonne forme physique, il nous est contemporain. Cette forme de tourisme spatial est apparue en 2001 avec Dennis Tito, qui a effectué un séjour à bord de la station spatiale internationale. Depuis, l’ISS a reçu sept visiteurs, dont une femme. Le ticket a coûté de 20 à 40 millions de dollars. La société américaine SpaceX a annoncé avoir été sollici- tée par deux personnes privées pour effectuer un vol autour de la Lune à la fin de l’année prochaine. Ces deux passagers ont déjà versé un acompte important afin d’être envoyés autour de la Lune à la fin de l’année 2018, mais leur identité n’a pas été divulguée. On pourrait continuer cette longue énumération des services, objets et matériaux jadis réservés à une utilisa- tion restreinte au domaine spatial et aujourd’hui ouverts au grand public. Ces quelques lignes suffisent à rappeler à nos concitoyens tout ce que notre vie quotidienne doit aux tech- niques spatiales et les inviter à porter un regard positif sur la conquête spatiale qui continuera, à coup sûr, à apporter beaucoup à l’humanité. Q Figure 9 : La capsule Dragon 2 de la société Space X – Crédits : Space X. André Deschamps est ingénieur de recherche hors classe honoraire à l’Observatoire de Paris. Il est ancien président de la com- mission « Radioastronomie » de l’URSI-France. Il a travaillé sur des grandes missions scientifiques spatiales (ROSETTA, Herschel, etc.) pour lesquelles il a reçu un award de la NASA et un autre de l’ESA. Il a été représentant de la radioastronomie française auprès de l’ANFR (Agence nationale des fréquences) et de l’ITU (International Telecommunication Union, Genève). L'AUTEUR