Est-ce que les fusées polluent ? Le savez-vous ?

Les fusées provoquent des pollutions terribles à une époque où notre obsession devrait être de diminuer l’impact de nos activités.

Lorsqu’on voit ce nuage de fumées provoqué au moment du décollage, il n’y a pas photo, tout l’environnement est sérieusement dégradé, n’est-ce pas ? Alors, est-ce que les fusées polluent ?

Etude du cas français : Le Centre Spatial Guyanais de Kourou

Le centre spatial guyanais – CSG opère 3 lanceurs (terme officiel pour les fusées) :

  • Ariane 5 et bientôt Ariane 6, un lanceur lourd pour les grosses charges utiles (satellites, sondes spatiales… le télescope James Webb partira à bord d’une Ariane 5 dans l’automne 2021 – je préfère ne pas donner de date, vu les retards répétés et la situation sanitaire qui complique tout, voir ici)
  • Vega, un lanceur léger, c’est un booster d’Ariane 5 indépendant : mêmes proportions, mêmes technologies.
  • Soyouz (Soyuz) en partenariat avec Roscosmos, l’agence spatiale russe pour les charges moyennes.

Et la pollution des fusées ?

Pour ce qui nous intéresse, la pollution des fusées, nous devons donc nous intéresser à Ariane 5 pour ses boosters (Etage d’Appoint à Poudre – EAP) et son corps central (1er étage cryogénique) qui utilisent 2 carburants différents.

Véga aura les mêmes caractéristiques qu’un EAP d’Ariane 5.

Soyouz utilise un 3ème type de carburant et devra être abordé à part.

Voilà, les présentations sont faites, alors entrons dans le sujet…

Le plus simple : la pollution du premier étage d’Ariane 5

Je vais commencer par le plus évident : l’étage cryogénique d’Ariane 5 :

Derrière ce mot se cache un mélange d’un carburant et d’un comburant habituellement gazeux qu’on comprime et refroidit jusqu’à les rendre liquides.

Le cryo-génique vient de refroidis et maintenus très froids.

Un cas semblable mais plus populaire : l’azote liquide, un gaz refroidis et liquéfié.

Pour produire la poussée…

Pour que la fusée – le lanceur décolle, il faut éjecter très vite une très grosse quantité de gaz vers le bas, puis magie de l’action/réaction la poussée vers le bas de ce gros volume de gaz entraine une force opposée (donc vers le haut) sur le lanceur.

…il faut des gaz, beaucoup de gaz…

Donc on brûle un carburant produisant une grosse quantité de gaz chauds. Ariane 5, en tout cas son corps central, brûle de l’hydrogène – dihydrogène, H2.

Par contre dans toute réaction de combustion, il faut un réactif complémentaire appelé comburant. Pour allumer le barbecue, pas de souci, on met un carburant – le charbon et on puise le comburant dans l’air – l’oxygène, ou plutôt dioxygène, O2.

Dans un lanceur, le comburant est embarqué car la réaction voulue est tellement puissante qu’il est impossible de se contenter de l’oxygène atmosphérique d’autant plus que rapidement le lanceur monte en altitude où l’air se raréfie.

Mais même au décollage, l’air serait insuffisant pour générer la poussée souhaitée.

Le carburant cryogénique d’Ariane 5

C’est le di-hydrogène H2, un gaz hautement inflammable qu’on a liquéfié et stocké dans la fusée sous forme liquide.

Dit comme ça, ça parait simple mais si j’ai parlé d’azote liquide refroidi à -80°C, pour l’hydrogène, il faut descendre à -253°C et maintenir cette température.

Au CSG, l’hydrogène liquide appelé aussi LH2 (Liquid Di-Hydrogen) est produit sur place à base d’eau et de méthanol.

Ok pour le carburant, maintenant

Le comburant cryogénique d’Ariane 5

Oh, faisons simple et prenons de l’oxygène dans l’air…

Et c’est ce qui est réalisé dans l’usine LOX (Liquid OXygen). De l’air est aspiré filtré puis l’azote est séparé de l’oxygène. Comme on se sert aussi d’azote, gaz neutre, il est traité à part. L’oxygène est refroidi et liquéfié à -183°C seulement…

La pollution de la combustion

Est-ce que les fusées polluent ? Dangers du Monoxyde de Di-Hydrogène !
Est-ce que les fusées polluent ? Dangers du Monoxyde de Di-Hydrogène !

Lorsque la fusée décolle, le moteur Vulcain brûle un mélange de LH2 et de LOX en produisant du monoxyde de dihydrogène, de l’hydrogènol, et du dihydroxyde.

Quoi ! Tout ça ? J’imagine que ça doit encrasser toute la savane autour ! Pauvres habitants de Kourou et Sinnamary !!!

Eh, oui. Bon, je détaille avec les schémas de réaction chimique qui a peut-être donné des cauchemardas à certains d’entre-vous au lycée…

Di-hydrogène + Di-oxygène —> Tous les sales trucs cités plus haut

Et en formule :

2 H2 + O2 —> 2 H2O, monoxyde de dihydrogène (cf sources)

H2O, de l’eau… le moteur vulcain crache des flammes d’eau !

Résultat de la pollution des fusées (moteurs cryogéniques)
Résultat de la pollution des fusées (moteurs cryogéniques)

Les EAP et Véga : Pollution des fusées à poudre

Nous passons à un autre mode de propulsion : la poudre !

En gros, en très gros, on fabrique une poudre contenant un mélange de carburant et de comburant puis on tapisse les parois internes de cette poudre gélifiée. La combustion se fait par le centre éjectant une énorme quantité de gaz.

La poudre, c’est constitué comment ?

C’est de la chimie de précision, bien sur avec une recette secrète dans le détail. Mais ces propulseurs qu’on appelle à Propergol solide sont constitués autour d’un mélange de perchlorate d’ammonium, poudre d’aluminium et polybutadiène. La combustion, ou plus justement la réaction d’oxydo-réduction, produit essentiellement du CO2, de l’alumine et de l’acide chlorhydrique.

Le CO2 part dans l’air, l’alumine se dépose sous forme de particules et l’acide chlorhydrique réagit avec l’eau en acidifiant le milieu et produisant du chlore actif – Cl2.

Pas terrible pour l’environnement !

En effet, le CO2 participe à l’effet de serre et, bien que marginale encore aujourd’hui, la contribution du spatial à l’effet de serre risque de fortement augmenter avec l’arrivée des constellations de satellites et le tourisme spatial…

L’acide chlorhydrique dégrade les végétaux et les roches. En Guyane, le sol est massivement constitué de latérite, une roche rouge résultant de la longue dégradation de granite. Or le granite est riche en métaux lourds (d’où la présence d’or dans le sol guyanais) notamment en mercure, libérés lors de l’acidification du sol.

L’alumine quand à elle est un résidu inerte qui, dispersé, ne présente pas de risques particuliers à l’environnement. Elle est constituant des minerais d’aluminium et d’autres minéraux. Sa concentration sur certains sites pourrait poser des problèmes environnementaux peu documentés.

Et la quantité ?

Pour un seul lancement d’Ariane 5, il faut brûler 2 fois 237,7 tonnes de poudre.

Ces EAP produisent 90% de la poussée au décollage et fonctionnent une soixantaine de secondes ! C’est donc l’impact majeur d’un lancement au décollage… sauf que… on verra ça un peu plus loin…

Et Soyouz ? Des fusées qui polluent au pétrole !

La propulsion de Soyouz est assurée par un carburant de type kérosène. Pour assurer la combustion, on embarque aussi l’oxygène liquide adéquat.

La pollution des fusées Soyouz est donc similaire à la pollution d’un avion de ligne. La différence se faisant essentiellement sur les quantités brûlées.

La surveillance de l’impact environnemental au CSG

Industrie Sévéso, le lancement spatial est sous surveillance environnementale.

Pour s’assurer d’un impact mineur, de nombreuses mesures sont prises.

Dans cette partie, j’ai cherché de nombreuses sources, parfois inexploitables, parfois très techniques (Dossiers entre le CSG et les administrations). Ainsi, je me suis fait une idée par construction d’un savoir issu de plusieurs sources. Les informations du CNES sont encourageantes et je n’ai pas détecté de réelles contradictions. Le spatial est une industrie polluante assumée mais de réels efforts sont réalisés pour mesurer les impacts, pour limiter les risques et compenser les dégâts incompressibles. Mais j’en parle plus ici...

Les mesures directes

Eh oui, commençons simple : on installe des capteurs qui mesurent la pollution en des points donnés. Mais pour avoir une bonne idée des pollutions émises, il faut adapter les mesures aux conditions de chaque lancement (vents, pluie, humidité, température…).

La modélisation informatique

Le CNES met en oeuvre SARRIM, un modèle de prévision des pollutions pour chaque lancement. Les capteurs seront placés à l’aide de ce modèle pour contrôler en conditions réelles la dispersion des particules d’alumine et des retombées acides.

Les capteurs

24 capteurs multi pollution fixe ou mobile (placés en fonction des prévisions SARRIM) et 45 bacs à eau sont dispersés sur la zone. C’est le dispositif CODEX.

Et on fait quoi avec les bacs à eau ?

Ce n’est plus de l’analyse directe, l’eau distillée est placée avant chaque lancement puis récupérés ensuite, conditionnés ils seront analysés au laboratoire de l’Institut Pasteur de Cayenne. On y mesure le pH et les polluants dilués ou particules immergées.

Pluvio-lessivats…

Drôle de nom mais cette mesure utilise un effet concentrateur de pollution : La pluie lessive les feuilles de végétaux et on analyse cette eau qui a pu concentrer d’éventuels dépôts sur de grandes zones. Mais on a mieux, bien mieux ! En effet, la pluie n’est pas constante, s’il pleut trop fort, il y a dilution, s’il ne pleut pas… ben pas de lessivat…

Les observations sur l’environnement

Dans ce chapitre, ce sont les effets éventuels de la pollution sur les biotopes de la base de lancement qui sont mesurés : Quantité d’oiseaux, épaisseur des coquilles, évolution de ruchers (poids, comportement) et de grands mammifères. Etude de l’impact sur les espèces aquatiques (marais, rivières)

Des organismes de mesure externe sont concernés – bureaux d’études (Hydréco, NBC, Apilab…), organismes publics (ONF, AFB).

Des populations de grands mammifères aux sédiments de rivière, tous ces indicateurs de stress sur l’environnement sont scrutés sur le long terme.

Les mesures sur capteurs biologiques

C’est un cas particulier de la surveillance des pollutions : NBC/Apilab ont implanté des ruches d’abeilles mélipones (espèce locale de petites abeilles au dard atrophié) pour suivre de nombreux paramètres (développement et vivacité de la ruche, évolution du poids, de la température, observation vidéo du comportement…), ce qui correspond au paragraphe précédent.

Abeille Mélipone utilisée pour surveiller la pollution des fusées
Abeille Mélipone utilisée pour surveiller la pollution des fusées

Mais, les abeilles sont aussi utilisées comme bio-capteurs dans une discipline à part entière: la bio-surveillance des pollutions.

En effet, les productions des ruches (Cires, miel…) sont des concentrâts de milliers de capteurs de pollution répartis sur une grande zone et collectés par les abeilles : il serait impossible de réaliser cette concentration des polluants de façon technologique. Ainsi, nous pouvons mesurer la présence de polluant diffus et peu concentrés, pollution de fond imperceptible.

Des ruches témoin sont disposées hors de la zone d’influence de la base et des villes proches.

Mais les abeilles elles-même sont des capteurs de particules (oxydes d’aluminium par exemple). L’espèce choisie est poilue du thorax : les particules rencontrées lors des buttinages se fixent sur leur dos. Alors, 2 à 3 fois par an, quelques individus de chaque ruche sont prélevés puis analysés au microscope électronique avec spectroscopie (ce qui permet d’obtenir la composition précise de chaque particule).

Des résultats ?

En premier lieu, aucune pollution impactante n’a été décelée autour de l’activité de lancement. Une zone proche (inférieure au km) est sensiblement impactée par les retombées acides et d’alumine pour Ariane et Vega, de suies de combustion pour Soyouz. Toutes les mesures sont toutefois inférieures aux seuils d’impact.

L’ensemble de la faune et flore surveillée se porte aussi bien qu’en milieu protégé.

Le spatial n’aurait donc pas d’impact ?

Bien sur que si ! Le nier est inconcevable. Il faut contextualiser ces résultats.

Premièrement, la partie dont je viens de parler est exclusivement liée aux activités de lancement. Ne prend pas en compte l’émission carbone.

Quoi ? C’est pas primordial, ça ? Comment passer à coté !!!

Alors, oui, c’est primordial et non, le CNES ne passe pas à coté : Le CO2 se disperse très vite dans la masse atmosphérique, mesurer un impact local n’a donc pas de sens. L’émission de CO2 des lanceurs est intégrée au bilan carbone global de l’industrie spatiale.

D’ailleurs, les activités autres que lancement de cette industrie sont plus émissifs que les lancements.

Toute la chaine de production des fusées, des ergols (carburants), toute l’activité d’ingénierie, de conception etc. pollue plus que la seule phase de lancements.

Tout est toujours une question de contexte !

Le spatial européen, c’est 10 à 15 lancements par an. Donc une grosse pollution environ chaque mois. Et là, c’est gérable pour l’environnement local. Par contre, une véritable inquiétude se profile avec les projets monstrueux de tourisme spatial, de méga-constellations…

D’autant que la pollution générée est à mettre en balance avec les bénéfice attendus de l’activité, c’est évident que mettre en orbite un satellite de communication qui va durer 20 ans en touchant plusieurs millions d’utilisateurs n’a au final pas le même ratio pollution/service rendu qu’un vol sub-orbital qui offre juste 3 à 5 minutes d’impesenteur à 4 personnes riches…

Dans mes recherches, j’ai pu constater que l’industrie spatiale européenne est globalement sensible à la question environnementale.

Un certain nombre d’actions de limitation de l’impact, des projets de neutralité carbone et des plans de compensation écologiques existent et sont effectifs :

Le Centre Spatial Guyanais participe à des programmes de protection dans les réserves naturelles locales. Les entreprises industrielles compensent leurs empiètements sur l’espace naturel en se portant acquéreur de terrains destinés à être protégés. La surveillance environnementale pluridisciplinaire est réelle et produit des résultats exportables au delà du spatial. L’Agence Spatiale Européenne travaille avec les industriels à des version réutilisable des lanceurs et participe activement à la surveillance scientifique des effets humains sur la planète (satellites météo, de surveillance des gaz à effet de serre, de la déforestation…). Le CSG se dote d’une usine de méthanisation pour créer un biogaz comme propulseur des futures versions des lanceurs.

Alors si tout n’est pas parfait, on n’est pas au pays des bisounours, une réelle prise en compte de l’impact écologique existe.

Conclusion

Si le spatial est une industrie polluante, il est possible de mettre en place des mesures et des compensations adéquat. Le Centre Spatial Guyanais, le Centre National d’Etudes Spatial, l’Agence Spatiale Européenne, Ariane Group et les autres acteurs présents semblent montrer l’exemple.

Une question de volonté

Ceci passe par un début de réglementation et de contrôles de la part des autorités.

Le CSG est une industrie sensible dans laquelle sont manipulées de grandes quantité de produits chimiques : Méthanol, Kérosène, Aluminium, Composants des poudres et autres ergols (hydrazine, très toxique pour remplir les satellites). Elle doit donc répondre à des normes strictes, obtenir des permis d’exploitation comprenant la prise en compte des risques et des impacts environnementaux.

La volonté politique de ne pas laisser faire n’importe quoi est déjà une base nécessaire.

Mais au delà de ça, une volonté affirmée des acteurs du spatial est encrée dans la politique globale du spatial européen : obligés de répondre aux normes légales, le spatial européen va plus loin. Certifié ISO 14001 depuis 2004, l’ensemble de lancement guyanais montre sa volonté d’agir.

et une balance impact / bénéfice raisonnable.

C’est un point important pour l’avenir. Le tourisme spatial serait animé des mêmes volontés qu’il n’en serait que presque autant innacceptable par la débauche de terrain immobilisés (700 km2 pour le seul CSG, une taille comparable à la moitié de La Guadeloupe) et d’énergie, ressources qui ne sont plus disponible pour d’autres applications.

Envoyer une sonde spatiale pour mieux connaitre Mars coute mais rapporte à l’humanité entière, de la connaissance, déjà mais aussi les retombées technologiques telles les capteurs CCD, les batteries hautes capacité, les panneaux solaires efficaces développés pour l’occasion et déclinable ensuite dans notre quotidien. Par contre permettre à quelques milliardaires de faire 3 pirouettes (cacahuète) à 110 km d’altitude, c’est juste stupide et inutile au reste de l’humanité.

Et rien n’est simple…

Car, selon Martin Ross, les lanceurs à poudre attaquent la couche d’ozone et si on considère aujourd’hui l’impact négligeable, c’est parce que les effets disparaitraient en une décennie après l’arrêt de l’industrie spatiale. Au CSG, les effets en altitude sont surveillés et la couche d’ozone se reconstitue rapidement après le passage des fumées du lanceur. Cependant, il existe un seuil du nombre de lancement au delà duquel, des impacts durables sont attendus. Et la multiplication des lancements déjà enregistrés avec l’arrivée des acteurs privés et de la Chine et l’Inde dans la course à l’espace semble atteindre ce seuil.

Que dire alors des inepties de 3000 Starship de Space X ?

Comme toute ressource, l’accès à l’espace est sous contrainte et devrait faire l’objet d’un peu plus de considération stratégique pour l’avenir…

Sources

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