Bricoler pour la collecte des déchets dans l’espace

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Déchets mondiaux
Déchets mondiaux

Les déchets ne posent pas seulement des problèmes sur Terre, mais aussi dans l’espace. Une équipe de recherche de la Haute école de Lucerne développe actuellement un détecteur de débris spatiaux. Celui-ci peut piloter de manière autonome des satellites qui devront à l’avenir faire le ménage dans l’espace.

un immense désordre règne au-dessus de nos têtes : près de 5 500 satellites actifs et défectueux gravitent actuellement sur des orbites proches de la Terre - à environ 800 km au-dessus de celle-ci. A cela s’ajoutent d’innombrables débris, des moteurs de fusée hors d’usage et des outils qui ont glissé des mains des astronautes.

Les déchets célestes sont dangereux

Dans l’espace, à grande vitesse, même les particules les plus minuscules se transforment en projectiles destructeurs. Aujourd’hui déjà, la station spatiale internationale (ISS) habitée doit régulièrement éviter des débris. Les trajectoires des satellites doivent également être adaptées à cause des déchets.
Selon les estimations de l’Agence spatiale européenne (ESA), près d’un million d’objets de plus d’un centimètre circulent actuellement dans l’espace. Les spécialistes craignent que l’existence même de l’espace soit en jeu si les débris spatiaux ne sont pas retirés dans un délai raisonnable. L’ESA a donc lancé la mission "ClearSpace-1". Avec ce projet, elle entend développer une sonde capable de suivre les débris, de les agripper et de les faire tomber de manière contrôlée afin qu’ils se consument dans l’atmosphère terrestre sans causer de dommages.

Bricoler à Horw pour faire le ménage dans l’espace

La Haute école de Lucerne contribue également au développement de ce satellite de chasse. Une équipe de recherche de cinq personnes autour de Jürgen Wassner et Klaus Zahn travaille actuellement sur un détecteur capable de détecter de manière fiable les débris spatiaux et de diriger le satellite de chasse de manière autonome dans la direction d’un débris.
"À l’aide d’une simulation informatique, nous essayons notamment de déterminer le nombre d’images qu’une caméra installée sur le satellite chasseur doit prendre par seconde pour que celui-ci puisse détecter un objet de manière fiable et s’y arrimer en toute sécurité", explique Klaus Zahn, expert en vision par ordinateur et en apprentissage automatique.
La recherche de la fréquence d’images optimale se fait pour une bonne raison : le processeur connecté à la caméra a besoin de mémoire et d’énergie pour chaque image afin de pouvoir traiter les données. Or, dans l’espace, l’électricité est rare - quelques petits panneaux solaires montés sur le satellite de chasse doivent suffire. Le processeur ne doit pas non plus être trop lourd, car il sera ainsi plus facile de le transporter dans l’espace. C’est là qu’intervient Jürgen Wassner : en tant qu’expert en informatique embarquée et en conception de systèmes, il est spécialisé dans le développement d’algorithmes aussi efficaces que possible, c’est-à-dire de règles de calcul, pour de tels mini-ordinateurs.

Exercice à sec proche de la réalité dans l’espace virtuel

"Nous travaillons avec des simulations, car nous ne pouvons pas simplement aller brièvement dans l’espace pour tester nos caméras ou le contrôle d’un satellite sur place", explique Wassner. L’équipe a choisi le satellite "Sentinel-6" comme premier échantillon de débris dont le satellite de chasse doit se débarrasser dans l’étude de modélisation. Celui-ci fonctionne encore parfaitement dans la réalité et a pour mission de mesurer l’élévation du niveau de la mer. Wassner : "Pour nous, Sentinel était surtout un bon objet d’illustration parce que les données de modélisation 3D étaient disponibles à partir de ce satellite". Bien sûr, Sentinel-6 devra lui aussi être éliminé un jour, dit Wassner avec un clin d’½il ; mais pour l’instant, il s’agit surtout de développer un système qui puisse être utilisé pour différents types de débris. Et il y en a beaucoup : "Il existe aujourd’hui des catalogues entiers de pièces de rechange. Les organisations spatiales tiennent une comptabilité méticuleuse pour garder un ½il sur les objets délicats".
L’équipe de recherche a déjà entièrement intégré les données de Sentinel 6 dans la simulation ; de même que les capacités de la caméra, les hypothèses sur les mécanismes de contrôle du satellite de chasse ou l’apparence de la Terre vue par les satellites.
L’impression visuelle de ce monde virtuel est stupéfiante : en quelques clics de souris, Jürgen Wassner montre comment le satellite de chasse se rapproche de plus en plus de Sentinel-6. En arrière-plan, la Terre se déplace dans l’image sous la forme d’une petite sphère bleu-blanc-brun. C’est comme si l’on regardait à travers l’½il de la caméra.

Entraînement pour l’intelligence artificielle

"Jusqu’à la fin mai, nous allons maintenant tester intensivement la simulation et jouer des scénarios proches de la réalité afin d’entraîner les algorithmes et de les améliorer encore", explique Wassner. Quelques exemples : Sentinel-6 tourne autour de son propre axe. Comment le satellite de chasse peut-il malgré tout s’arrimer en toute sécurité, sans risque de collision ? Quelle est la consommation d’énergie du mini-ordinateur en fonction des différents taux de rafraîchissement de la caméra ? Quel est l’impact des températures dans l’espace sur ses performances ? En outre, le satellite de chasse doit toujours orienter ses panneaux solaires de manière optimale vers le soleil afin de garantir l’alimentation électrique du système. Cela fonctionne-t-il ? Et que se passe-t-il si un panneau tombe en panne ?

Collaboration avec l’Université de Tokyo

En février 2023, Wassner et Zahn se rendront à Tokyo pour discuter de la prochaine phase de ce projet de recherche avec Shinichi Kimura de l’Université des sciences de Tokyo. "Shinichi Kimura dispose d’excellents laboratoires dans lesquels il est possible de reproduire les conditions qui règnent dans l’espace", explique Jürgen Wassner. "En collaboration avec lui, nous souhaitons construire et tester un prototype de caméra et de processeur".

Un vol en altitude grâce à une grande expérience

Pour Zahn et Wassner, il s’agit du premier travail de recherche qui les conduit dans l’immensité de l’espace. Ils doivent cette mission à Matteo Madi, membre de la direction de l’entreprise Sirin Orbital Systems AG, basée à Zurich. Celle-ci est active dans les domaines de la technique spatiale et des systèmes et a déjà réalisé divers projets pour l’ESA. Klaus Zahn : "Matteo Madi nous a demandé si nous étions intéressés à participer à ce projet passionnant. Nous avons accepté ce défi avec plaisir".
Les deux chercheurs peuvent s’appuyer sur leur longue expérience dans le domaine des capteurs et des réseaux intelligents. Ils ont par exemple développé des systèmes automatisés de comptage et de classification des véhicules dans le trafic, des commandes intelligentes de lampadaires qui ne s’allument que lorsque quelqu’un passe devant eux, ou encore une technologie de transmission fiable des données via les réseaux de distribution électrique des avions. Aujourd’hui, ils s’élèvent encore plus haut et se concentrent sur un champ de travail à près de 800 kilomètres d’altitude.