Satellites et orbites, expliqués simplement

Ce qu'est vraiment une orbite

Une orbite est une chute qui ne finit jamais. Imaginez-vous au sommet d'une montagne d'une hauteur impossible, en train de lancer une balle droit devant vous, parallèlement au sol. Lancez doucement et elle retombe tout près ; lancez plus fort et elle atterrit plus loin.

Imaginez maintenant que vous la lanciez si vite que, pendant sa chute, le sol s'incurve sous elle tout aussi rapidement. La balle continue de tomber, mais elle manque sans cesse la Terre. Près de la Terre, il faut pour cela une vitesse latérale d'environ 7,8 km/s, et c'est le travail d'une fusée de l'atteindre, comme l'explique le guide comment fonctionnent les fusées.

La gravité ne s'est pas éteinte là-haut. Les astronautes flottent parce qu'eux et leur vaisseau tombent ensemble. Plus loin, l'attraction est plus faible : les orbites plus hautes sont donc plus lentes et plus longues à parcourir. Avec une vitesse suffisante, environ 11,2 km/s depuis la surface de la Terre, un engin spatial échappe complètement à l'attraction terrestre.

L'orbite terrestre basse

L'orbite terrestre basse s'étend de juste au-dessus de l'atmosphère jusqu'à environ 2 000 km d'altitude. C'est le quartier le plus animé de l'espace, car la proximité de la Terre offre des images plus nettes, des signaux plus rapides et une ascension plus courte depuis le sol.

La Station spatiale internationale y réside, à environ 400 km d'altitude. Elle se déplace à environ 28 000 km/h, soit 7,7 km/s, et boucle une orbite en 92 minutes environ, si bien que son équipage voit environ 16 levers de soleil par jour. Elle est habitée en permanence depuis novembre 2000.

Les satellites d'observation de la Terre utilisent les orbites basses pour photographier en détail les cultures, les forêts, les rivières et les villes. De grandes constellations de petits satellites rapides y travaillent aussi pour assurer la connectivité, en se passant chaque connexion de l'un à l'autre à mesure qu'ils défilent au-dessus de nos têtes. La contrepartie : chaque satellite ne voit qu'une petite portion de la Terre à la fois.

L'orbite terrestre moyenne et la navigation par satellite

L'orbite terrestre moyenne couvre la vaste bande comprise entre environ 2 000 km et 35 786 km. Ses résidents les plus connus sont les satellites de navigation, qui volent à environ 20 000 km d'altitude et font le tour de la Terre environ deux fois par jour.

Chacun embarque des horloges extrêmement précises et diffuse sa position ainsi que l'heure exacte d'émission de chaque signal. Le récepteur d'un téléphone ou d'une voiture écoute plusieurs satellites à la fois, compare le temps mis par les signaux pour arriver et en déduit sa position. Ces mêmes signaux transportent une heure précise, qui synchronise discrètement les réseaux téléphoniques et électriques.

L'orbite géostationnaire

À 35 786 km au-dessus de l'équateur, il se passe quelque chose d'élégant. Un satellite placé là met un jour sidéral, 23 heures et 56 minutes, pour faire un tour, soit le temps que met la Terre pour tourner une fois sur elle-même par rapport aux étoiles. Vu du sol, il semble suspendu, immobile dans le ciel.

C'est pourquoi une antenne de télévision par satellite peut rester fixe, pointée vers le même endroit pendant des années. Cette orbite convient aussi aux satellites météorologiques, qui peuvent observer jour et nuit la même vaste portion de la planète et suivre les tempêtes à mesure qu'elles se développent.

Le revers, c'est la distance. Les signaux ont besoin d'une fraction de seconde perceptible pour faire l'aller-retour, ce qui explique pourquoi les appels qui passent par des satellites géostationnaires peuvent sembler légèrement décalés. Le calculateur du délai de transmission dans l'espace montre comment la distance se transforme en délai, de la Lune aux planètes extérieures.

L'orbite héliosynchrone et d'autres orbites particulières

Certaines orbites sont choisies pour leur horaire de passage plutôt que pour leur altitude. Une orbite héliosynchrone est une orbite basse qui passe près des pôles, inclinée de sorte que le satellite survole chaque lieu à la même heure locale chaque jour. Comme la lumière est identique à chaque passage, des images prises à des mois ou des années d'intervalle peuvent être comparées équitablement, ce qui est idéal pour suivre les cultures, les forêts, les glaces et l'eau.

Plus généralement, les orbites polaires permettent à un satellite de voir toute la planète au fil du temps, à mesure que la Terre tourne sous lui. Les orbites très elliptiques s'éloignent loin de la Terre et s'attardent au-dessus des hautes latitudes, ce qui est utile là où les satellites géostationnaires apparaissent bas sur l'horizon. Les orbites de transfert sont des étapes intermédiaires qui font passer un engin spatial d'une orbite à une autre.

Les constellations, expliquées

Dans l'espace, une constellation n'est pas une figure formée par des étoiles mais une équipe de satellites qui travaillent ensemble. Un satellite seul en orbite basse ne voit qu'une petite zone et la survole rapidement : une couverture continue exige donc de nombreux satellites, espacés de sorte qu'au moins l'un d'eux soit toujours visible.

La navigation par satellite repose sur une constellation en orbite terrestre moyenne. De nouvelles constellations en orbite basse apportent la connectivité aux navires, aux avions, aux exploitations agricoles et aux villages isolés, tandis que les constellations d'imagerie de la Terre repassent souvent au-dessus des mêmes lieux, ce qui permet de repérer rapidement les changements. Certains satellites se transmettent des données par radio ou par laser avant de les envoyer vers les stations sol.

Les satellites et les orbites au quotidien

La plupart des gens utilisent des satellites plusieurs fois par jour sans s'en rendre compte. Les services fondés sur leurs données forment l'une des couches de l'Explorateur de l'économie spatiale. Voici quelques-unes des tâches qu'ils accomplissent discrètement :

• Navigation : les itinéraires sur votre téléphone, les livraisons, le transport maritime et les vols.
• Météo : les images et les mesures à l'origine des prévisions quotidiennes et des alertes aux tempêtes.
• Cartes et villes : des cartes à jour et une aide à l'aménagement des routes, des parcs et des logements.
• Synchronisation : des signaux précis qui maintiennent les réseaux téléphoniques et électriques en phase.
• Connectivité : internet et téléphone pour les navires, les avions et les lieux éloignés des câbles.
• Agriculture : repérer les cultures qui manquent d'eau ou dépérissent, afin que l'eau et les soins aillent là où ils sont nécessaires.
• Réponse aux catastrophes : cartographier rapidement les inondations et les feux de forêt pour que les secours arrivent aux bons endroits.

Garder les orbites propres et sûres

Les vieux satellites, les étages de fusée usagés et les petits fragments forment ce que l'on appelle les débris spatiaux. Aux vitesses orbitales, même un minuscule morceau transporte beaucoup d'énergie : une collision peut endommager un satellite en service et disperser encore plus de fragments.

Les opérateurs suivent ces objets et décalent légèrement les satellites lorsqu'un rapprochement est prévu. L'IA aide de plus en plus à trier les données de suivi et à signaler les rapprochements qui comptent, tandis que les humains prennent la décision finale, un thème exploré dans L'IA et l'économie spatiale.

La prévention compte plus que tout. De nombreux satellites sont désormais conçus pour quitter leur orbite à la fin de leur vie utile : ceux en orbite basse descendent pour se consumer dans l'atmosphère, tandis que les satellites géostationnaires montent un peu plus haut, sur une orbite de rebut, à l'écart. On étudie aussi des services robotisés capables de ravitailler ou de réparer les satellites, ainsi que des moyens de collecter les anciens débris.

Essayez par vous-même

Le calculateur d'orbite transforme ces idées en chiffres. Choisissez une altitude pour voir la vitesse orbitale, la durée d'une orbite et le nombre d'orbites effectuées en une journée. Quelques valeurs à essayer :

• Environ 400 km, où la Station spatiale internationale fait le tour de la Terre en 92 minutes environ.
• Environ 20 000 km, où les satellites de navigation font le tour de la Terre environ deux fois par jour.
• 35 786 km, où la période s'allonge jusqu'à un jour sidéral et où un satellite semble immobile dans le ciel.

Le regard de Nicole Junkermann

Nicole Junkermann a tendance à voir l'orbite comme elle voit d'autres fondations de la vie moderne : comme une infrastructure. La navigation, les prévisions météo et la synchronisation des réseaux dépendent toutes de satellites que l'on remarque rarement mais sur lesquels on compte chaque jour. Comme l'indique son site : « I invest in infrastructure that builds trust » (« J'investis dans des infrastructures qui bâtissent la confiance »).

Selon elle, cette confiance se gagne sur le long terme. Concevoir, construire et exploiter des satellites peut prendre des années, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles elle soutient depuis longtemps que le capital patient compte pour la deep tech (technologies de rupture), et garder les orbites propres relève de la même responsabilité. Pour découvrir, dans un langage clair et simple, comment les investisseurs envisagent le secteur, lisez l'avenir de l'investissement dans l'espace.