Considérez-le comme un jeu de société céleste :quel est le nombre minimum de satellites nécessaires pour voir chaque point de la Terre ? Et comment ces satellites pourraient-ils rester en orbite et maintenir une couverture continue 24h/24 et 7j/7 tout en affrontant le champ de gravité terrestre, sa masse grumeleuse, l'attraction du soleil et de la lune, et la pression du rayonnement solaire ?

Au milieu des années 80, le chercheur John E. Draim a proposé ce qui est généralement considéré comme la solution idéale :une constellation de quatre satellites. Cependant, la quantité de propergol nécessaire pour maintenir les satellites en place, et le coût qui en découle, rendu la configuration irréalisable.

Maintenant, une collaboration parrainée par la National Science Foundation et dirigée par Patrick Reed, le professeur d'ingénierie Joseph C. Ford à l'Université Cornell, a découvert la bonne combinaison de facteurs pour rendre possible une constellation de quatre satellites, qui pourraient conduire à des progrès dans les télécommunications, navigation et télédétection. Et dans une tournure ingénieuse, les chercheurs y sont parvenus en faisant travailler les forces qui dégradent habituellement les satellites en leur faveur.

"L'une des questions intéressantes que nous avions était, pouvons-nous réellement transformer ces forces ? Au lieu de dégrader le système, Pouvons-nous réellement le retourner de telle sorte que la constellation récupère l'énergie de ces forces et les utilise pour se contrôler activement ?", a déclaré Reed.

Leur papier, "Constellations de satellites à faible coût pour une couverture mondiale presque continue, " publié le 10 janvier dans Communication Nature .

Les outils de recherche informatique évolutifs basés sur l'IA que Reed a développés sont parfaitement adaptés pour naviguer dans les nombreuses complications du placement et de la gestion des satellites.

Pour ce projet, Reed a collaboré avec des chercheurs de The Aerospace Corporation, alliant son savoir-faire algorithmique à l'expertise de l'entreprise en astrophysique de pointe, logistique opérationnelle et simulations.

Afin de passer au crible les centaines de milliers d'orbites possibles et les combinaisons de perturbations, l'équipe a utilisé le supercalculateur Blue Waters de l'Université de l'Illinois, Urbana-Campaign. Blue Waters a compressé 300 ou 400 ans d'exploration informatique en l'équivalent d'environ un mois de calcul réel, dit Reed.

Ils ont associé leurs conceptions de constellation à deux modèles capables d'orbiter sur une période de 24 ou 48 heures et d'atteindre une couverture continue sur 86 % et 95 % du globe, respectivement. Alors qu'une couverture à 100 % des performances serait idéale en théorie, les chercheurs ont découvert que sacrifier seulement 5 % à 14 % créait des gains plus importants en termes de récupération d'énergie à partir des mêmes forces de rayonnement gravitationnel et solaire qui rendraient normalement une constellation de satellites de courte durée et difficile à contrôler.

Le compromis en vaut la peine, Reed a dit, d'autant plus que les opérateurs de satellites pouvaient contrôler où les lacunes de couverture se produiraient. Les pannes dans ces régions à faible priorité dureraient environ 80 minutes par jour, au plus, dans le pire des cas.

"C'est l'une de ces choses où la poursuite de la perfection pourrait en fait contrecarrer l'innovation, " dit Reed. " Et tu n'abandonnes pas vraiment un montant dramatique. Il peut y avoir des missions où vous avez absolument besoin d'une couverture partout sur Terre, et dans ces cas, vous n'auriez qu'à utiliser davantage de satellites, de capteurs en réseau ou de plates-formes hybrides."

L'utilisation de ce type de contrôle passif pourrait potentiellement prolonger la durée de vie d'une constellation de cinq à 15 ans. Ces satellites nécessiteraient moins de propergol et flotteraient à des altitudes plus élevées, les retirer de la zone à haut trafic risquée de l'orbite terrestre basse. Mais le plus gros argument de vente est peut-être le faible coût. Les intérêts commerciaux ou les pays n'ayant pas les ressources financières pour lancer une grande constellation de satellites pourraient atteindre une couverture mondiale quasi continue de manière très économique, avec des frais généraux techniques à long terme réduits.

"Même un satellite peut coûter des centaines de millions ou des milliards de dollars, en fonction des capteurs qui s'y trouvent et de son objectif. Donc, avoir une nouvelle plate-forme que vous pouvez utiliser dans les missions existantes et émergentes est plutôt chouette, " a déclaré Reed. " Il y a beaucoup de potentiel pour la télédétection, télécommunication, la navigation, détection et rétroaction à large bande passante dans l'espace, et ça évolue très, très rapidement. Il y a probablement toutes sortes d'applications qui pourraient bénéficier d'une longue durée de vie, constellation de satellites auto-adaptatifs avec une couverture quasi mondiale."

L'auteur principal de l'article est Lake Singh de The Aerospace Corporation. Des chercheurs de l'Université de Californie, Davis, a également contribué.

« Nous avons tiré parti de l'expertise d'Aerospace en matière de conception de constellations avec le leadership de Cornell en matière d'analyse de recherche intelligente et avons découvert une alternative opérationnellement réalisable à la conception de constellations Draim, " dit Singh, directeur des systèmes du département Future Architectures de The Aerospace Corporation. "Ces conceptions de constellations peuvent offrir des avantages substantiels aux planificateurs de missions pour des concepts sur des orbites géostationnaires et au-delà."