Comprendre l'empreinte atmosphérique des lancements de fusées

Cependant, un petit nombre de lancements – environ 100 à 200 par an dans le monde – produisent des émissions qui s'accumulent dans la haute atmosphère avec des effets qui diffèrent sensiblement de ceux des sources terrestres. Contrairement aux avions qui font la croisière dans la troposphère et la basse stratosphère, les fusées déposent des produits d'échappement directement dans la mésosphère et la thermosphère, où les délais de chimie et de transport sont fondamentalement différents. La cadence mondiale de lancement s'accélère : constellations commerciales, programmes gouvernementaux et nouveaux ports spatiaux poussent les lancements annuels à augmenter.

Voies d'émission directes et temps de résidence des produits chimiques

Les gaz d'échappement des roches contiennent du dioxyde de carbone (CO2), de la vapeur d'eau (H2O), des oxydes d'azote (NOx), des espèces de chlore, des particules d'alumine, de suie et de fragments de combustible non brûlés. L'altitude à laquelle ces espèces sont libérées détermine leur durée de vie atmosphérique et leur interaction avec l'ozone. Le CO2] est un gaz à effet de serre à longue durée de vie, mais sa contribution annuelle demeure mineure par rapport au transport aérien ou terrestre, soit environ 0,0001% des émissions anthropiques mondiales de CO[2].

Mécanismes d'appauvrissement de l'ozone spécifiques aux gaz d'échappement des fusées

Les fusées à fusées solides, comme celles utilisées sur la navette spatiale et certains lanceurs à transport lourd, libèrent des composés chlorés directement dans la stratosphère. Le programme de navette spatiale a à lui seul éjecté environ 200 tonnes de chlore par lancement.Même avec les restrictions modernes imposées aux substances appauvrissant la couche d'ozone en vertu du Protocole de Montréal, les gaz d'échappement des fusées contournent les règlements internationaux parce qu'ils ne sont pas classés comme des émissions contrôlées.Les réactions chimiques sont bien comprises : le monoxyde de chlore (ClO) provenant de propergols solides détruit catalytiquement les molécules d'ozone, et l'effet est amplifié lorsque la vapeur d'eau provenant du même gaz d'échappement refroidit l'air pour former des nuages stratosphériques polaires.

Typologie des propulseurs et échanges environnementaux

Aucun propergol n'est parfaitement propre; chaque système comporte des compromis entre la performance, le coût et l'impact environnemental. La génération actuelle de lanceurs utilise une des trois familles de propergols larges, chacune ayant un profil d'émission distinct.

Hydrogène liquide et oxygène liquide (LH2/LOX)

Le principal produit d'échappement est la vapeur d'eau, soit environ 2,5 tonnes de H2O par tonne de propulseur brûlé. La combustion d'hydrogène ne produit ni suie ni CO2, ce qui en fait l'option la plus basse parmi les fusées chimiques. Cependant, l'injection de vapeur d'eau élevée dans la stratosphère et la mésosphère a ses propres inconvénients. La vapeur d'eau est un gaz à effet de serre 10 fois plus puissant que le CO2 à des altitudes stratosphériques. Elle améliore également la formation de nuages noctiluants aux latitudes polaires, ce qui peut affecter la dynamique mésosphérique. L'hydrogène cryogénique nécessite des températures de stockage extrêmement basses (-253 °C) et une faible densité d'énergie volumétrique, de sorte que la structure du réservoir doit être grande et lourde, ce qui peut compenser certains gains d'efficacité.

Kerosene (RP-1) et LOX

La combustion du pétrole raffiné, appelé RP-1, est le cheval de bataille du lancement orbital depuis les années 1950. Sa combustion produit du CO[2[, de la vapeur d'eau, de la suie et de divers composés organiques volatils (COV). La fraction de suie est particulièrement problématique : selon la conception du moteur, 0,5 à 2 % de la masse de carburant peut être émise sous forme de particules de carbone noir. Ces particules absorbent la lumière du soleil et réchauffent l'atmosphère, et elles peuvent rester en altitude pendant des semaines dans la stratosphère. Contrairement à la suie d'aéronef, qui est émise dans la troposphère et lavée par la pluie, la suie de fusée pénètre dans la stratosphère où sa durée de vie est mesurée en mois.

Propulseurs solides (APCP et HTPB)

Le propulseur composite de perchlorate d'ammonium (PCAP) est la formulation solide dominante. Il est constitué d'un oxydant (perchlorate d'ammonium, NH4ClO[4, d'un liant de combustible (polybutadiène à terminaison hydroxyle, HTPB) et d'une poudre d'aluminium. La combustion produit de l'oxyde d'aluminium (Al2O3) des particules, des espèces de chlore (HCl, ClO) et des oxydes d'azote. Les particules d'aluminium ne sont pas chimiquement réactives mais diffusent la lumière du soleil et peuvent produire des noyaux de condensation.

quantification des effets mondiaux et régionaux

Les taux de lancement actuels sont suffisamment faibles pour que les effets moyens mondiaux soient faibles, mais les points chauds régionaux et les scénarios futurs méritent une attention. Les sites de lancement sont concentrés entre 28°N et 35°N de latitude (Cap Canaveral, Baïkonur, Kourou, Vandenberg, Wenchang). Les panaches d'échappement de ces sites dérivent vers le poteau, et les mesures au-dessus de l'Arctique montrent des niveaux élevés d'alumine et de vapeur d'eau après les grands lancements. Une évaluation 2022 du Journal of Atmospheric Environment a lié une diminution de 0,5 % de l'ozone de colonne au-dessus de l'Atlantique Nord à un groupe de lancements de transport lourd en 2020.

Comparaison des émissions de fusées avec d'autres modes de transport

Par exemple, un lancement de Falcon 9 émet environ 200 tonnes de CO[2 et 300 tonnes de vapeur d'eau pour une charge utile de 22 tonnes à orbite terrestre basse. Il s'agit d'environ 15 kg de CO[2 par kg de charge utile, comparativement à environ 0,2 kg de CO2 par kg de fret aérien. Toutefois, la comparaison est imparfaite parce que les fusées livrent des marchandises à un environnement inaccessible par d'autres moyens. Plus pertinente est le coût environnemental du cycle de vie : fabrication, transport de propergols et combustion des première et deuxième étapes.

Stratégies de réduction des émissions

La communauté aérospatiale poursuit de multiples approches parallèles, allant de changements opérationnels immédiats à des révisions à long terme des systèmes de propulsion.

Développement de propulseurs verts

Plusieurs solutions chimiques de remplacement du RP-1 et des propulseurs solides sont en cours de développement. Le méthane liquéfié (CH[4) brûlé avec de l'oxygène[ produit principalement du CO[2 et de la vapeur d'eau, mais beaucoup moins de suie que le kérosène. L'impulsion spécifique et le potentiel d'utilisation des ressources in situ sur Mars rendent ce dernier attrayant pour les missions interplanétaires. Le moteur Raptor (SpaceX) et le BE-4 (Blue Origin) sont des moteurs opérationnels de méthane/LOX, bien que seul le Raptor ait volé.

Efficacité du moteur et traitement aval

Les progrès dans la conception de la chambre de combustion — pression de chambre plus élevée, amélioration des profils d'injecteur et combustion par étapes — peuvent réduire la production de suie et d'hydrocarbures non brûlés. Le SpaceX Merlin 1D, par exemple, fonctionne à une pression de chambre de 97 bar avec un injecteur de pinte qui produit une combustion presque complète. Le post-traitement de la combustion est plus difficile pour les fusées que pour les voitures parce que les vitesses de débit des gaz d'échappement sont supersoniques, mais la catalyse plasma et les écrans électriques sont en cours de recherche à l'échelle du laboratoire.

Réutilisabilité et optimisation de la Cadence de lancement

Les premières étapes réutilisables, initiées par SpaceX, réduisent le nombre d'étapes fabriquées et de carbone intégré de la production de matériel. Toutefois, la réutilisation ne réduit pas directement les émissions en phase de combustion par lancement; en fait, le carburant supplémentaire nécessaire pour l'atterrissage peut augmenter la consommation totale de propergol de 5 à 10 %. Le véritable avantage est économique: un coût plus faible par lancement permet de regrouper les charges utiles sur moins de vols. Si une fusée réutilisable peut réduire les lancements nécessaires par un facteur de trois par rapport aux solutions de rechange durables, les émissions cumulatives baissent proportionnellement.

Autres technologies de propulsion

Au-delà des fusées chimiques, la propulsion électrique (propulseurs d'ions, propulseurs à effet Hall) est presque exempte d'émissions pendant l'opération, mais elle produit une poussée extrêmement faible et ne convient pas au lancement à partir de la surface de la Terre. ]Les fusées thermiques nucléaires pourraient fournir une poussée élevée avec un propulseur à hydrogène, émettant uniquement de l'hydrogène et des produits de fission— aucun CO[2 ou une vapeur d'eau. Le risque environnemental de rejet accidentel de matières radioactives, cependant, a un développement limité. Les fusées hybrides utilisant un combustible solide et un oxydant liquide (p. ex., l'oxyde nitreux avec HTPB) offrent un terrain intermédiaire : elles évitent les propulseurs solides prémélangés et éliminent ainsi les espèces de chlore si un oxydant non chloré est utilisé.

Initiatives réglementaires et industrielles

Le droit spatial international, en particulier le Traité sur l'espace extra-atmosphérique, ne traite pas des émissions atmosphériques.Le Protocole de Montréal couvre les substances qui appauvrissent la couche d'ozone mais exempte l'échappement des fusées d'une part de son caractère non intentionnel.En 2019, l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI) a entamé des discussions préliminaires sur l'extension de sa certification des émissions aux vols suborbitaux, mais aucune règle contraignante n'est apparue.La Fédération aéronautique internationale (FAI) a introduit une certification environnementale pour les ports spatiaux.

Normes industrielles volontaires

SpaceX, Blue Origin et Rocket Lab se sont engagés à suivre les émissions de la portée 1 et de la portée 2, mais la portée 3 (charges utiles aux clients et chaîne d'approvisionnement) demeure opaque. Un consortium industriel, l'Initiative de durabilité spatiale[, a publié en 2023 un projet de cadre pour la classification des lanceurs à quatre niveaux (or, argent, bronze, plomb) basé sur le type de propulseur, le taux de réutilisation et l'élimination des étapes de fin de vie.

Perspectives d'avenir : Équilibrer l'exploration et l'intendance

L'expansion de l'humanité dans l'espace augmentera inévitablement les taux de lancement. Les méga-constellations pour l'accès à Internet, les bases lunaires et les missions Mars sont toutes basées sur la réduction des coûts de lancement, ce qui entraîne une fréquence de lancement plus élevée. La communauté environnementale commence à traiter les émissions de fusées comme un facteur non négligeable dans la chimie atmosphérique.Les principaux leviers d'atténuation sont connus : éliminer les boosters solides pour les grandes étapes, passer au méthane ou à l'hydrogène, augmenter la réutilisabilité et imposer un plafond mondial aux émissions de chlore.

Le rôle de l'énergie solaire spatiale et de la fabrication orbitale

Si de grandes structures peuvent être construites à partir de matériaux extraits de la Lune ou d'astéroïdes, le débit massique terrestre en orbite et ses émissions connexes pourraient baisser de façon spectaculaire. National Aeronautics and Space Administration (NASA) a financé des études sur la fabrication d'additifs dans l'espace, et des entreprises comme Made In Space (aujourd'hui partie de Redwire) ont démontré l'impression en 3D sur la Station spatiale internationale. Bien qu'elles soient encore dans des décennies, ces infrastructures pourraient éventuellement faire du lancement orbital une partie plus petite de l'entreprise spatiale.

Sensibilisation du public et pression sur les politiques

Greenpeace et l'Union des scientifiques concernés ont publié des rapports appelant à un moratoire sur les nouvelles méga-constellations jusqu'à ce qu'une évaluation complète de l'impact environnemental soit achevée. En 2022, le Parlement européen a adopté une résolution demandant instamment à l'Agence spatiale européenne d'adopter une politique -"espace vert" comprenant des limites d'émission contraignantes pour les lanceurs utilisés dans les ports spatiaux européens.

Conclusion

La chimie unique des gaz d'échappement de haute altitude, en particulier le chlore provenant des propulseurs solides et la suie du kérosène, présente des risques disproportionnés pour la couche d'ozone et le système climatique par rapport à la masse de propulseurs brûlés. Il existe des stratégies d'atténuation : remplacer les propulseurs solides par des solutions de remplacement liquides, adopter le méthane ou l'hydrogène, optimiser le matériel moteur pour une combustion complète et maximiser la réutilisation pour amortir les émissions matérielles.Mais aucune de ces solutions n'est gratuite – elles nécessitent des investissements, une volonté réglementaire et un changement de culture industrielle.