La rentrée incontrôlée d’un étage d’une fusée SpaceX a laissé derrière elle un gigantesque panache de lithium dans le ciel d’Europe occidentale en février 2025, selon une nouvelle étude. Il s’agit, à ce jour, de la première mesure directe de la pollution atmosphérique provenant d’un débris spatial, les retombées étant jusqu’ici mesurées une fois au sol à partir des morceaux retrouvés. Ces observations offrent un nouvel aperçu de la manière dont les lancements spatiaux peuvent affecter la haute atmosphère.
Les rentrées atmosphériques incontrôlées de débris spatiaux constituent une préoccupation toujours croissante à mesure que la fréquence des lancements augmente. Le secteur de l’aérospatial connaît notamment depuis quelques années une nouvelle ère avec le déploiement de mégaconstellations de satellites, augmentant significativement le nombre d’objets stationnant en orbite terrestre basse.
Le nombre de satellites en orbite terrestre basse atteint aujourd’hui des dizaines de milliers, la majorité étant occupée par le réseau Starlink qui compte à lui seul plus de 8 000 satellites opérationnels. SpaceX prévoit même d’étendre sa mégaconstellation à 40 000 satellites, chacun d’une masse comprise entre 305 et 960 kilogrammes, soit une masse cumulée dépassant les 10 000 tonnes.
L’augmentation exponentielle des lancements s’explique principalement par la réduction de leurs coûts. Cependant, comme leur durée de vie opérationnelle est de cinq ans en moyenne et que la NASA et l’ESA imposent une désorbitation obligatoire après un certain temps d’utilisation, ces satellites devraient rentrer dans l’atmosphère dans les prochaines années.
Une orbite saturée, une atmosphère exposée
Or, si les risques pour les populations et les infrastructures sont largement explorés, les impacts sur l’atmosphère demeurent peu étudiés. En effet, la haute atmosphère est désormais soumise à l’injection d’espèces atomiques et moléculaires exotiques qui sont généralement absentes en grande quantité et qui, habituellement, sont injectées dans cette région de l’atmosphère par le biais de météores.
L’apport supplémentaire incontrôlé de ces molécules exotiques pourrait affecter le transfert radiatif de l’atmosphère, la chimie de l’ozone et la microphysique des aérosols. Des chercheurs de l’Institut Leibniz de physique atmosphérique, en Allemagne, et de l’Université de Leeds, en Angleterre, apportent de nouveaux éléments d’information en analysant l’impact de la rentrée atmosphérique de l’étage d’une fusée Falcon 9 de SpaceX.
« Nous avons appris que cette fusée s’était écrasée en Pologne. Elle est passée quasiment au-dessus de nous, et nous nous sommes dit : « Oh, c’est une occasion en or » », a expliqué le professeur Robin Wing de l’Institut Leibniz de physique atmosphérique, à la BBC. La fusée est rentrée dans l’atmosphère le 19 février 2025 entre 4 h 44 et 4 h 52 (heure française), produisant une boule de feu visible au-dessus de l’Irlande, de l’Angleterre et d’Allemagne, avant de s’écraser en Pologne. Près de vingt heures plus tard, à 1 h 20 (heure française) le 20 février 2025, les instruments ont détecté un panache persistant de lithium en haute altitude.
Des concentrations de lithium décuplées
On estime que le flux de masse de particules exotiques provenant de la rentrée atmosphérique de satellites artificiels pourrait dépasser de 40 % l’apport naturel de météoroïdes d’ici quelques années. Cependant, l’importance de cet apport dépend de divers facteurs, notamment des différences de composition entre les météoroïdes naturels et les engins spatiaux.
Contrairement à la composition élémentaire des météoroïdes chondritiques, les satellites et les étages de fusées sont constitués — mis à part le lithium — de matériaux de synthèse tels que des alliages d’aluminium, des structures composites et des terres rares issues de l’électronique embarquée, des substances rarement présentes dans la matière extraterrestre naturelle. D’après Wing, l’atmosphère reçoit naturellement entre 50 et 80 grammes de lithium par jour provenant de petits météores.
Un lidar multi-espèces (MSL) de l’Institut Leibniz de physique atmosphérique est utilisé pour la détection des débris spatiaux dans la haute atmosphère. Il surveille les atomes de lithium, grâce à un laser rouge, comme traceur de la pollution anthropique ; les atomes de sodium, grâce à un laser orange, comme traceur des météores naturels ; et utilise un laser flexible dans le spectre ultraviolet pour détecter d’autres métaux présents dans les débris spatiaux, tels que le cuivre ou le titane. © Michael GerdingPour mesurer la concentration de lithium laissée dans la basse thermosphère (entre environ 85 et 120 kilomètres d’altitude) par la fusée Falcon 9, l’équipe de Wing a utilisé un lidar — un instrument de télédétection laser destiné à mesurer les conditions atmosphériques — installé dans le nord de l’Allemagne.
D’après les résultats de l’étude, publiée le 19 février dans la revue Communications Earth & Environment, la concentration de lithium dans la thermosphère a été multipliée par dix (atteignant jusqu’à 30 kilogrammes) par rapport à sa valeur de référence à 1 h 20 (heure française), le 20 février 2025. Le panache de lithium s’étendait entre 94 et 97 kilomètres d’altitude et a persisté pendant les 27 minutes suivantes, jusqu’à l’arrêt de l’enregistrement des données.
Afin de confirmer que ce flux de lithium provenait bien de l’étage de la fusée Falcon 9, les chercheurs ont utilisé des modèles de vent atmosphérique pour en reconstituer la trajectoire. Les analyses ont montré que l’origine la plus probable se situait effectivement sur la trajectoire de l’étage de la fusée, rentré dans l’atmosphère près de vingt heures auparavant. Des analyses supplémentaires ont démontré qu’il était très improbable que des processus atmosphériques naturels soient à l’origine du panache.
L’Institut Leibniz de physique atmosphérique en hiver, avec trois lasers verts mesurant les vents et les températures dans la stratosphère et la mésosphère. © Gerd BaumgartenLes chercheurs précisent toutefois que leur technique reste limitée : tous les matériaux libérés par les débris spatiaux ne peuvent être mesurés de cette manière, en raison des transformations chimiques qu’ils subissent lors de la descente. Des observations atmosphériques supplémentaires et davantage de modélisations chimiques seront donc nécessaires pour évaluer avec précision les effets à long terme de ces nouveaux polluants atmosphériques.
« Notre plus grande préoccupation concerne l’interaction de l’aluminium et des oxydes d’aluminium avec la couche d’ozone », a indiqué Wing à la BBC. « J’espère que si nous commençons nos mesures dès maintenant, nous pourrons peut-être prendre les devants et identifier les problèmes potentiels avant qu’ils ne s’aggravent », conclut-il.