Pollution terrestre : quelle est la part du secteur spatial ?

Décollage d’Ariane 5 le 15 août 2020. © ESA/Cnes/Arianespace/P. Piron
L’essor actuel de l’industrie spatiale amène à s’interroger sur son impact écologique. Les carburants utilisés pour propulser les fusées passent notamment sous la loupe des experts. Mais pas seulement eux…

Kourou, Guyane française, le 15 août 2020 peu après minuit. Les bras cryogéniques s’écartent d’Ariane 5, dont les moteurs s’embrasent en un éclair. L’énorme fusée s’élance fièrement vers l’espace. Elle illumine la nuit tropicale de son puissant panache jusqu’à ce que, deux minutes plus tard, ses deux propulseurs à poudre se détachent et retombent en mer. Ariane 5 a atteint 69 km d’altitude, et donc traversé avec ses boosters allumés une bonne partie de l’atmosphère. Le même genre de spectacle est habituel à Wenchang en Chine, à cap Canaveral en Floride, à Baïkonour au Kazakhstan, lorsque les fusées Longue Marche, Falcon 9 ou Soyouz s’arrachent à la gravité terrestre : mise à feu, décollage et traînée de gaz incandescents sur des dizaines de kilomètres dans l’atmosphère.

Quels sont ces gaz que les moteurs expulsent ? Sont-ils polluants ? Contribuent-ils au réchauffement climatique ? Les experts sont de plus en plus nombreux à se poser la question. C’est que l’industrie spatiale est en plein essor. « Depuis un pic en 1967 avec 157 tirs par an, le nombre annuel de lancements n’avait fait que baisser jusqu’en 2005, année durant laquelle seules 42 fusées se sont envolées. L’activité était en relatif déclin, de sorte qu’elle n’a pas vraiment été considérée comme une source potentielle de pollution. Mais depuis 2005, la tendance s’inverse, analyse Martin Ross, chercheur à l’Aerospace Corporation, auteur de plusieurs études sur l’impact des panaches de fusées sur l’atmosphère. Au cours de la dernière décennie, la fréquence des tirs a augmenté deux fois plus vite que l’aviation, si bien qu’en 2019, une centaine de fusées ont pris le départ. »

Désormais, des dizaines de sociétés privées fabriquent leurs propres lanceurs, prêtant main-forte aux agences gouvernementales ou menant leur propre programme spatial. Space X prévoit ainsi d’envoyer dans l’espace douze mille satellites pour les besoins de son réseau internet Starlink. Plusieurs de ces nouveaux acteurs proposent à quiconque en a les moyens d’assouvir son rêve de devenir astronaute et d’embarquer sur des vols suborbitaux. Virgin Galactic et Blue Origin ont déjà vendu des centaines de places sur leurs vaisseaux Spaceship 2 et New Shepard, à 200 000 $ le billet, prix plancher.

Une fusée Atlas 5 vient de lancer quatre satellites de communication depuis cap Canaveral, en Floride. Encore visible, son sillage contient notamment du gaz carbonique, de la vapeur d’eau et des particules de suie et d’alumine. © Courtesy ULA

Dans ce nouvel écosystème, le nombre de lancements pourrait bientôt être décuplé. Et avec eux, les gaz que ces engins relâchent. Parmi les plus gros émetteurs de ces émanations polluantes et/ou à effet de serre : les propulseurs à poudre utilisés jadis sur la navette spatiale, aujourd’hui sur Ariane 5 notamment, et demain pour la fusée américaine SLS. Ils contiennent des poudres de perchlorate d’ammonium et d’aluminium. Brûlé, ce mélange dégage principalement du gaz carbonique (CO2), de la suie, des particules d’alumine, de l’acide chlorhydrique, et de l’azote. « C’est vrai que les boosters à poudre utilisés sur le premier étage d’Ariane 5 ne sont pas terribles pour l’environnement, concède Jean-Marc Bahu, sous-directeur adjoint de la branche Futur et innovation des systèmes de lancements au Cnes. Mais ils sont très puissants, et faciles d’utilisation. »

Le peroxyde d’azote, un agent ultratoxique

Dans le genre simples à manier et franchement « pas terribles pour l’environnement », les propergols liquides stockables arrivent aussi en tête. « Composés de peroxyde d’azote, un agent ultratoxique, ces propergols peuvent être conservés durant des années à température ambiante, mais brûlent spontanément dès que le peroxyde d’azote est mis en contact avec le carburant, par exemple de l’hydrazine, explique Jonathan Mc Dowell, du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, spécialiste de l’histoire des lancements. C’est ce que les Russes utilisent pour leurs fusées Proton ou les Chinois pour leurs Longue Marche. » Tout comme les Européens pour Ariane 4, dont l’exploitation s’est arrêtée en 2003. « Tous les étages sauf le dernier fonctionnaient avec cet ergol toxique, employé aussi pendant un temps sur le dernier étage d’Ariane 5. C’était un problème de santé humaine plus que de pollution atmosphérique. Nous ne l’utilisons plus », indique Jean-Marc Bahu.

Très toxiques quand ils sont intacts, ces propergols liquides stockables donnent une fois consumés du CO2, de la vapeur d’eau, du monoxyde de carbone, de la suie, des oxydes d’azote. Soit peu ou prou la même mixture que celle produite par le RP-1, un autre combustible classique en astronautique. C’est ce kérosène ultraraffiné qui propulse notamment le premier étage des Falcon 9 de Space X, l’étage principal de l’Atlas 5 de la Nasa, ou encore le Soyouz de Roscosmos.

D’un cocktail à l’autre, les saveurs varient légèrement, mais l’ingrédient systématiquement présent, c’est le CO2, ce puissant gaz à effet de serre dont nous avons déjà fortement augmenté le taux dans l’atmosphère. En un peu plus d’une minute, la Falcon 9 par exemple émet 425 t de CO2. Un Boeing 747 qui effectue la liaison Paris-New York en relâche quant à lui 350 t. L’empreinte carbone par passager est certes plus lourde d’un facteur 200 pour la fusée de Space X, qui ne peut emporter que quatre astronautes à la fois. Mais cela ne vous aura pas échappé : ces quatre voyageurs sont véhiculés un tantinet plus loin que New York City. Avec sa fusée ultralourde Starship actuellement en développement, Elon Musk promet d’atteindre la Lune, voire Mars.

Les fusées face aux avions

D’ailleurs au jeu des comparaisons fusées/avions, ces derniers sont loin de sortir vainqueurs. « Si on la rapporte à celle de l’aviation, la part des émissions de CO2 liées au secteur spatial est négligeable », assure Jean-Marc Bahu. Ce que confirment Martin Ross et tous les experts que nous avons interviewés. Sur son site Everyday Astronaut, le bloggeur Tim Dodd l’a démontré par le calcul. « En 2018, 114 lancements de fusées ont eu lieu. […] La même année, 37 800 000 avions ont décollé », écrit-il. D’après son travail, les premiers ont injecté 22 780 t de CO2 dans l’atmosphère. Les seconds, 918 millions. « Avant que les fusées n’émettent autant que les avions, il faudrait en lancer... 40 300 fois plus qu’actuellement, soit 4 594 200 par an et donc 12 586 par jour. » Difficilement imaginable, même en prenant au sérieux les projets d’expansion spatiale les plus fantasques d’Elon Musk, de Richard Branson, de Jeff Bezos et de tous leurs émules réunis. Et puisque les émissions de CO2 imputables à l’aviation ne représentent elles-mêmes que 2,4 % des émissions globales de gaz carbonique, « cela signifie que le secteur spatial y contribue à hauteur de seulement 0,000 059% », conclut l’auteur. Epsilon, donc.

Le blogueur Tim Dodd
Auteur du blog Everyday Astronaut, Tim Dodd a fait la démonstration par le calcul : par rapport à l’aviation, le secteur spatial ne contribue quasiment pas à l’augmentation du taux de CO2 dans l’atmosphère. Cependant, les fusées émettent des particules de nature à modifier le climat. DR

« D’accord, c’est négligeable, mais au moins en ce qui concerne le volet tourisme de cette industrie, c’est obscène, rétorque Roland Lehoucq, astrophysicien au CEA, qui cosigne un article d’opinion à ce propos le 24 septembre 2020 sur le site The Conversation. Les émissions par touriste sont 100 fois supérieures à la limite fixée par les accords de Paris. Il est nécessaire que notre monde évolue vers moins de puissance et moins d’énergie. Ce qui pose la question ‘De quoi doit-on se passer ?’ L’espace, la chirurgie ou encore le web par exemple sont des outils à haute puissance, mais utiles. Le tourisme spatial, c’est de la haute puissance inutile. Ou plutôt utile aux 0,01% les plus riches… »

Et si les émissions de CO2 dues au secteur spatial sont infimes au regard des autres contributeurs, il n’en va pas de même pour un autre ingrédient retrouvé systématiquement dans les panaches de fusées : les particules fines. Les engins propulsés à la poudre, au RP1 ou aux propergols liquides stockables rejettent en effet dans la stratosphère (entre 30 et 50 km) de grandes quantités de carbone suie, mais aussi de l’oxyde d’aluminium. Les 114 lancements spatiaux de 2018 ont ainsi émis 225 t de carbone suie, autant que tous les avions réunis qui eux, les rejettent bien plus bas, vers 10 km d’altitude, là où les particules sont davantage lessivées.

Le problème des particules fines

« Dans la stratosphère, ces particules demeurent en suspension plusieurs années, et de ce fait s’accumulent au fil du temps, pointe Martin Ross dans son article. Nos modèles montrent qu’elles y forment une sorte de voile de nature à intercepter le rayonnement solaire, et donc qui tend à refroidir la surface. Ce n’est pas pour autant que l’effet contrebalance le réchauffement climatique. En fonction de l’altitude exacte à laquelle ces particules sont déposées, elles peuvent aussi avoir l’effet inverse et faire augmenter la température à cause d’effets complexes », souligne-t-il.

Le panache de gaz et de particules des fusées est émis jusque très haut dans l’atmosphère, là où l’air est plus rare. Ces produits de combustion y ont donc plus d’impact qu’à basse altitude, où volent les avions. © Nasa

« Leur impact est extrêmement difficile à prédire. Mais nous pensons qu’il peut aller jusqu’à modifier la circulation des courants, le climat de certaines zones, et détériorer la couche d’ozone », note pour sa part Karen Rosenlof, spécialiste du changement climatique à la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). « Si les émissions de carbone suie et de particules venaient à doubler, ce qui est fort probable vue la tendance actuelle, poursuit Martin Ross, alors le climat pourrait être modifié à l’échelle de la planète entière. Il est absolument nécessaire de dédier des ressources à l’étude de ces particules avant que des milliers de fusées ne décollent chaque année et que de nombreux débris de satellites ne fassent leur réentrée dans l’atmosphère chaque jour. Évitons de reproduire les erreurs commises avec le CO2. »

Silence radio à la Nasa

Pour l’heure, ni la Nasa ni aucune autre agence gouvernementale n’a pris contact avec ces sonneurs d’alerte, qui regrettent un manque de financements pour pousser leurs investigations plus avant. En dépit de nos relances, la Nasa n’a pas répondu à nos questions sur l’impact environnemental de ses engins. « Le Cnes a tenté d’étudier le problème de l’interaction entre les émissions des boosters d’Ariane 5 et les différentes couches de l’atmosphère avec des laboratoires français. Il confirme que le sujet est très complexe à simuler, nous a répondu Jean-Marc Bahu à la lecture de l’article de Martin Ross, que nous lui avions soumis. Le Cnes envisage pour ses lanceurs futurs d’avoir recours uniquement à la propulsion liquide (hydrogène ou méthane), dont la combustion devait être beaucoup moins polluante. » Dans « lanceurs futurs », comprenez post-Ariane 6. Car ce sont encore des propulseurs à poudre qui équiperont la future fusée européenne, dont le vol inaugural est prévu pour le second semestre 2021. Qui seront moins polluants, ceci dit : « Ariane 6 dispose de quatre boosters équivalents en puissance aux deux d’Ariane 5, explique Jean-Marc Bahu. Mais pour la moitié des tirs, seuls deux boosters seront utilisés. De sorte que, dans l’ensemble, nous produirons moins de pollution. »

Moins encore avec la relève suivante : la fusée Ariane Next. Envisagé à partir de 2030, ce lanceur européen en cours de conception pourrait être constitué d’un premier étage propulsé au méthane et à l’oxygène liquides. Un mélange qui, en brûlant, produit un panache de CO2 et de vapeur d’eau. Relativement propre donc. Ce panache, le premier étage l’émettra à deux reprises : une fois au décollage, une fois lors de la rentrée dans l’atmosphère. Car Ariane Next pourrait être réutilisable, inaugurant pour Ariane la technologie du recyclage dans laquelle les sociétés privées ont une sérieuse longueur d’avance. Le 30 mai 2020, après avoir placé avec succès le vaisseau Crew Dragon sur sa trajectoire pour la station spatiale internationale, le premier étage de la fusée Falcon 9 de Space X a atterri sans encombre sur Terre. Et sur son successeur, Spaceship, fonctionnant au méthane et à l’oxygène liquides, c’est l’ensemble du lanceur qui sera réutilisable.

Fusées recyclées

« Même si ces lanceurs émettent un second panache au moment de leur retour, ils sont au global beaucoup moins polluants que les lanceurs jetables, analyse Jonathan Mc Dowell. Car l’immense majorité de la pollution due aux activités spatiales est émise lors de la confection des fusées. » Prenez uniquement la fabrication de l’acier, principal matériau dont elles sont constituées : elle compte pour 8 à 10 % de l’ensemble des émissions de CO2.

Voilà qui permet aux chantres du secteur spatial recyclable de faire d’une pierre deux coups : donner une image durable à leur business, tout en réduisant drastiquement les coûts. « L’espace est amené à devenir moins polluant, estime Eric Staller, président de Commercial Spaceflight. Simplement car toutes les sociétés du New Space cherchent à faire d’énormes économies. Et dans ce domaine, quand on réduit les coûts en recyclant [d’un facteur pouvant atteindre 100, dixit Elon Musk, NDLR], alors on réduit son empreinte carbone. »

En septembre 2020, un étage de fusée chinoise est retombé par accident près d’une zone habitée. La fumée orange ultratoxique résulte de son combustible : l’ergol liquide stockable. DR

On réduit aussi les risques de polluer la surface terrestre et les océans, voire de mettre des vies en danger. Début septembre 2020, le premier étage d’une fusée chinoise Longue Marche 4B, hors de contrôle, est retombé à proximité immédiate d’une école, générant un immense panache rougeâtre suite à l’explosion de son combustible ultratoxique, le fameux propergol liquide stockable. « Ce n’est pas la première fois, rappelle Jonathan McDowell. Même s’ils commencent à faire des efforts, les Chinois, mais aussi les Russes, sont les moins regardants en ce qui concerne les retombées d’étage. Les Européens, au contraire, figurent parmi les plus sérieux. » Opérateurs et constructeurs se doivent en effet de respecter à la lettre la loi du 3 juin 2008 relative aux opérations spatiales depuis le sol français (Guyane). « Nous sommes notamment dans l’obligation de contrôler précisément les rentrées d’étage, de les faire retomber en mer et de veiller à ce qu’ils coulent », détaille Jean-Marc Bahu. Les plans de sauvegarde établis par l’agence spatiale française sur chaque lancement en Guyane rendent également impossible la mise en danger de vie par une retombée d’étage.

Des milliers d’épaves spatiales au fond des océans

« Le discours habituel, c’est que l’océan est immense, et que quelques morceaux de métal n’auront aucun impact négatif, mais ils peuvent constituer une menace pour la biodiversité, argumente Jacky Bonnemain, de l’association Robin des Bois, qui a rédigé en 2011 un rapport sur les risques environnementaux et technologiques associés aux activités spatiales. Notamment pour les cétacés et la faune des fonds marins, où ces débris contenant encore du combustible et faits d’alliages spéciaux se délitent progressivement. » « C’est vrai qu’après des décennies de conquête spatiale, plusieurs milliers d’épaves pouvant contenir des résidus de combustible doivent joncher les océans, concède Jean-Marc Bahu. Mais il faut comparer ce chiffre à celui-ci : on estime que chaque année, 10 000 conteneurs pleins, pesant chacun 40 t, finissent au fond de l’eau. » S’il faut s’inquiéter de l’accumulation d’épaves spatiales, c’est plutôt de celles gisant au-dessus de nos têtes. D’après l’ESA, 5 500 satellites soit en tout 8 800 t naviguent sur l’orbite terrestre. Au fil de leurs collisions et fragmentations, ils ont généré 34 000 objets de plus de 10 cm, 900 000 entre 1 et 10 cm et 128 millions d’une taille comprise entre 1 mm et 1 cm. C’est l’autre pollution, plus préoccupante encore, dont le secteur spatial est comptable.

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