Infrastructure spatiale – Construire des escaliers vers les cieux

Une nouvelle ère spatiale

Avec l’invention de fusées réutilisables fiables par SpaceX d’Elon Musk, une nouvelle course à l’espace a démarré. En effet, cela a réduit les coûts d’atteindre l’orbite d’environ dix fois, avec encore plus de réduction attendue grâce au gigantesque Starship.

Source: Ark Invest

Cela a conduit à la situation actuelle, où en 2023, la grande majorité de ce qui a été envoyé en orbite, tant en masse qu’en nombre de satellites, a été lancée par SpaceX.

Starship pourra finalement placer en orbite terrestre basse (LEO) entre 50 et 200 tonnes de matériel à chaque lancement, selon les estimations. Ce sera un pas majeur en avant, probablement permettant de nouveaux jalons dans l’histoire de l’humanité, notamment :

• Bases permanentes sur la Lune.
• Première expédition humaine vers Mars.

Si vous souhaitez en savoir plus sur à quoi ressemblerait un monde où ces réalisations sont déjà accomplies, et comment cela pourrait créer une économie spatiale autosuffisante, vous pouvez lire nos articles « L’économie spatiale du futur » et « L’économie martienne du futur ».

Starlink et des constellations de satellites similaires sont d’énormes infrastructures spatiales déjà en construction. Elles rendent possible l’accès à Internet haut débit partout sur Terre et devraient devenir la principale source de revenus d’entreprises comme SpaceX, qui compte déjà des millions d’abonnés payants.

Source: Ark Invest

Cependant, les lancements basés sur des fusées restent finalement limités par la physique qui sous-tend la technologie. Un aspect clé est que les fusées doivent expulser une quantité ridiculement grande de carburant pour décoller. Par exemple, le Falcon Heavy de SpaceX pèse 22,2 tonnes, avec une masse de carburant de 433 tonnes. Cela signifie qu’en fin de compte, la plupart du carburant est dépensée simplement pour soulever plus de carburant.

Pour descendre sous la barre des 100 $/kg de coût de lancement, des méthodes complètement différentes des fusées seront nécessaires.

Si les coûts de quitter la gravité terrestre baissent suffisamment, de nombreuses choses pourraient être construites dans l’espace.

Les grandes réalisations nécessitent des infrastructures

Se reposer uniquement sur les fusées pour atteindre l’espace revient à imaginer que nous ferions tout le transport et le commerce sur Terre uniquement avec des avions et des hélicoptères. Bien que techniquement possible, ce serait absurdement cher, alors que la construction d’infrastructures comme des ports, des routes et des voies ferrées nous permet d’utiliser des alternatives beaucoup moins coûteuses.

Cela peut être un problème du type « poule et œuf » lorsqu’il s’agit de l’espace. Jusqu’à présent, les infrastructures à grande échelle n’en valaient pas la peine, car nos besoins de lancement se limitaient à quelques dizaines de satellites et une douzaine d’astronautes en orbite.

Avec l’arrivée de meilleurs systèmes de lancement, nous verrons probablement au cours des deux prochaines décennies une expansion massive de l’activité humaine dans l’espace. Certaines de ces initiatives seront très rentables ou très bien financées, notamment :

• Méga‑projets scientifiques, comme la construction d’un radiotélescope sur la face cachée de la Lune.
• Bases lunaires des pays occidentaux ainsi que de la Chine et de la Russie.
• Tourisme spatial, que ce soit des vols suborbitaux, des stations spatiales orbitales ou sur la Lune.

Cela créera un marché suffisamment important pour que l’investissement de dizaines ou centaines de milliards devienne rentable afin de capter des parts de marché aux entreprises de fusées comme SpaceX.

Mass Drivers

Une telle infrastructure, appelée « mass driver », promet de réduire drastiquement les coûts de lancement. Elle est très probablement déjà réalisable avec la technologie disponible aujourd’hui. L’idée clé d’un mass driver est qu’une navette pourrait être envoyée en orbite en l’accélérant suffisamment au sol pour ne pas avoir besoin de propulseur embarqué.

La façon dont les scientifiques et les ingénieurs envisagent de le faire serait de créer un train maglev similaire au concept Hyperloop, fonctionnant dans le vide. Ainsi, ni la friction avec le rail ni celle avec les particules d’air ne ralentiraient ni n’échaufferaient le véhicule de lancement.

Source: Acepedia

La Chine examine déjà le développement d’une telle technologie, il se peut donc que cela soit plus proche que nous le pensons.

Si cela réussit, il pourrait réduire de nouveau de 10 fois le prix du lancement orbital déjà fortement baissé par SpaceX, avec des estimations plaçant les coûts à 60 $/kg.

En aside, ce type de système pourrait d’abord être utilisé avec des modèles de plus petite taille pour propulser des avions à une vitesse où les moteurs scramjet hypersoniques peuvent fonctionner, permettant des vols hypersoniques très rapides.

Un vrai mégaprojet

Bien sûr, un mass driver orbital serait nécessaire pour atteindre des vitesses extrêmes et devrait être absolument massif et puissant pour transporter et accélérer les centaines ou milliers de tonnes de charge utile afin de concurrencer le Spaceship.

La piste de lancement devra également mesurer des centaines, voire des milliers de kilomètres de long, la zone la plus prometteuse étant le plateau tibétain.

Cependant, les mass drivers restent parmi les infrastructures spatiales les moins ambitieuses proposées, car ils sont principalement limités par le financement disponible et les compétences nécessaires pour les concevoir avec la technologie connue.

Ascenseur spatial

Une autre méthode connue pour transporter des objets vers le haut et le bas avec le coût énergétique le plus bas possible consiste à utiliser un contrepoids, comme dans les ascenseurs. De cette façon, la seule énergie dépensée est celle nécessaire pour soulever le poids de la charge utile, sans besoin de vitesse extrême.

C’est l’idée derrière un ascenseur spatial, où un câble de dizaines de milliers de kilomètres de long serait utilisé pour faire monter et descendre la masse depuis la Terre. En théorie, un tel système pourrait rendre l’accès à l’orbite encore moins cher que le coût actuel d’un vol en avion.

Source: ISEC

La limitation principale ici n’est pas la demande du marché ou le capital disponible (bien que cela compte aussi), mais la technologie. Un câble aussi extrêmement long nécessiterait un matériau ultra‑léger avec une résistance à la traction bien supérieure à celle des matériaux courants comme l’acier ou le titane.

Cela pourrait changer, avec des super‑matériaux comme le graphène semblant pouvoir répondre aux exigences techniques, un type de matériau 2D dont nous avons parlé en détail dans notre article « Matériaux 2D, comme le graphène, ouvrent de nouvelles frontières en sciences des matériaux ».

Cela nécessiterait toutefois une production de masse de cristaux de graphène de haute qualité, ce qui n’a jamais été réalisé jusqu’à présent. Au prix actuel du graphène, cela serait absurdement cher.

Cependant, ce serait l’infrastructure idéale pour une présence humaine soutenue dans l’espace, les industries orbitales et le commerce interplanétaire, avec une capacité de 30 000 tonnes par an vers l’orbite géosynchrone, soit l’équivalent de dizaines de lancements de Starship chaque jour.

Vous pouvez en savoir plus sur ce concept dans cette vidéo d’une heure du Consortium International des Ascenseurs Spatiaux :

Mégastructure orbitale

Si nous parvenons un jour à construire un ascenseur spatial ou à installer des installations de fabrication à grande échelle sur la Lune en utilisant du matériau provenant d’astéroïdes, nous pourrions imaginer un type d’infrastructure encore plus grandiose.

Par exemple, un anneau orbital est l’idée de construire une structure qui ferait le tour complet de la Terre.

Source: Isaac Arthur

Un tel système resterait en orbite grâce à la force centrifuge qui compenserait la gravité terrestre. Il fournirait des habitats dans l’espace, des stations de maintenance, des sites de lancement pour les missions interstellaires, des points d’ancrage pour la production d’énergie (panneaux solaires) et même potentiellement une atténuation climatique avec des ombrières solaires.

Cependant, un tel concept est si ambitieux du point de vue technologique et infrastructurel qu’il ne sera probablement réalisé qu’après la construction des mass drivers et d’un ascenseur spatial.

Stations minières & processeurs

L’idée d’extraire des métaux des astéroïdes et de transformer le minerai dans l’espace est beaucoup plus accessible et réaliste.

De nombreux astéroïdes sont très riches en métaux ; en fait, la ceinture d’astéroïdes de notre système solaire contient environ 8 % d’astéroïdes riches en métal (type M). Avec la totalité de la ceinture pesant 2,4 quintillion de tonnes, cela représente une énorme quantité de métal.

Source: ESA – Les deux zones où se trouvent la plupart des astéroïdes du système solaire : la ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter, et les trojans, deux groupes d’astéroïdes qui précèdent et suivent Jupiter dans son orbite autour du Soleil.

Sur Terre, nous creusons jusqu’à 2‑4 km de profondeur pour l’or ou le platine. Mais un seul astéroïde, 16 Psyche pourrait être un morceau de métal de 200 km prêt à être exploité pour une valeur (aux prix actuels) de 10‑700 quintillion.

Il existe donc deux types d’exploitation spatiale qui pourraient être très rentables :

• Les matériaux rares comme l’or et le platine seraient renvoyés sur Terre.
• Les matériaux de base pouvant être utilisés en orbite pour construire des vaisseaux spatiaux, des hôtels spatiaux, etc., sans avoir à supporter le coût exorbitant du levage depuis la Terre.

Le plus probable est qu’une entreprise d’exploitation d’astéroïdes gagnera de l’argent sur les deux fronts, en capturant et en amenant près de la Terre des astéroïdes riches en minéraux de grande valeur, et en utilisant les résidus miniers, composés de fer carbone, de nickel, etc., pour construire des stations spatiales, des bases lunaires, des fusées, etc.

Un autre avantage est qu’une fois l’équipement minier placé dans l’espace, il peut exploiter les astéroïdes dans un environnement en apesanteur. Cela rend l’exploitation minière spatiale plus facile que sur Terre, où déplacer des milliers de tonnes de roches est une activité énergivore et risquée.

Collecteurs solaires

Une autre industrie spatiale proposée qui pourrait devenir le moteur d’une économie spatiale est l’énergie solaire. Dans la bonne orbite, le Soleil brille 24 h/24 et à une intensité beaucoup plus élevée en raison de l’absence d’atmosphère pour absorber la lumière.

De tels systèmes pourraient à la fois être une raison de construire des infrastructures spatiales (en réduisant le coût des satellites d’énergie) et un facilitateur de progrès supplémentaire (comme l’alimentation des stations de raffinage qui extraient les astéroïdes).

Source: Space Solar

(Nous explorons cette idée plus en détail dans notre article « Solutions énergétiques spatiales pour une énergie propre infinie ».)

Propulseurs à voile laser

Pour quitter la Terre, soit des fusées, soit des infrastructures avancées sont nécessaires. Mais pour se déplacer dans l’espace, très peu d’énergie est réellement requise une fois que l’on est loin d’un puits gravitationnel. Si peu, en fait, que la simple lumière peut fournir assez d’énergie pour le faire.

C’est la physique derrière le concept de voile solaire. Ce n’est pas un concept de science‑fiction spéculatif, mais une vraie technologie déjà testée par la NASA.

Une telle voile pourrait être propulsée par les rayons du Soleil mais aussi par un laser. Ainsi, potentiellement, au lieu de brûler du carburant, nous pourrions voir les voyages interplanétaires alimentés par des lasers depuis l’orbite ou depuis la Lune, eux‑mêmes alimentés par des satellites solaires locaux.

Base et colonies hors‑Terre

En parlant d’infrastructures, la plupart se concentreront sur les projets « spectaculaires » technologiquement complexes, comme les ascenseurs spatiaux.

Cependant, de nombreuses autres infrastructures seront nécessaires dans l’espace, surtout si nous construisons des colonies permanentes, des bases accueillant des scientifiques et des touristes jusqu’à des villes prospères sur Mars.

Convoyeur / Cycler d’Aldrin

Les bases ou colonies sur la Lune seront « faciles » à approvisionner directement depuis la Terre. Le transport du personnel ou des touristes se fera en un court voyage, qui ne prendra que quelques jours au maximum.

En revanche, se rendre vers des destinations plus lointaines comme Mars nécessitera un voyage qui prendra probablement presque un an, voire quelques semaines au mieux. Ce n’est pas un problème pour les matières premières et l’équipement, où cela ne complique que légèrement la logistique.

Cependant, cela pose beaucoup plus de problèmes pour les passagers. L’espace au‑delà de la magnétosphère terrestre est exposé à de fortes radiations. Et en cas de tempête solaire difficile à prévoir, les passagers en route vers Mars pourraient être exposés à encore plus de radiations. Ainsi, au‑delà des premiers aventuriers audacieux qui poseront le pied sur Mars, les voyages réguliers de passagers nécessiteront un vaisseau très lourd et blindé.

Et peut‑être avec une certaine production alimentaire à bord et un fort recyclage de l’eau pour limiter la quantité de provisions à transporter (nous avons abordé plus en détail le sujet de l’alimentation dans l’espace dans notre article « Nourriture spatiale – Comment nourrir la prochaine vague de pionniers de l’humanité ? »).

Cela peut être fait avec une fusée classique. Mais cela serait un gaspillage de carburant, puisqu’il faudrait accélérer et ralentir tout le blindage, le système de survie et les provisions à chaque fois.

À la place, le Cycler d’Aldrin (proposé par Buzz Aldrin, le deuxième homme sur la Lune), ou Mars Cycler pourrait être en orbite permanente afin de passer régulièrement à proximité à la fois de la Terre et de Mars.

Source: Ethan MacDonald

De cette façon, vous pourriez construire une station spatiale permanente pour les personnes transitant vers et depuis Mars. Elle aurait un blindage lourd contre les radiations et une production alimentaire, ainsi que des espaces plus confortables et spacieux ainsi que des installations sportives pour garder les gens en forme malgré l’absence de gravité.

Source: Buzz Aldrin

Cylindre O’Neil & colonies d’astéroïdes

En parlant d’habitats spatiaux, des concepts plus ambitieux que le pit‑stop/hôtel en route vers Mars, comme le Cycler d’Aldrin, ont été envisagés. C’est le plan que Jeff Bezos poursuit, avec « un trillion de personnes vivant dans d’immenses stations spatiales également appelées cylindres O’Neil ».

Ce sont d’immenses cylindres dont la rotation créerait une gravité artificielle à l’intérieur, suffisamment grande pour accueillir des centaines de milliers voire des millions d’habitants.

Source: Blue Origin

Ils pourraient être utilisés soit pour offrir des conditions de vie idéales, soit pour déplacer les industries lourdes et polluantes hors des écosystèmes terrestres.

Une telle infrastructure fournirait essentiellement un espace de vie illimité pour un nombre incalculable de personnes à travers le système solaire. Elle pourrait même être utilisée pour coloniser d’autres étoiles, car ils sont essentiellement des micro‑planètes autosuffisantes.

Cependant, une telle infrastructure arrivera probablement encore plus tard dans la chronologie de la colonisation spatiale que les anneaux orbitaux, car elle nécessiterait une capacité de fabrication spatiale annuelle de plusieurs billions de tonnes, ainsi que des allers‑retours vers la Terre à presque aucun coût.

Sphère de Dyson

À l’extrémité du spectre des infrastructures spatiales spéculatives se trouve la Sphère de Dyson, ou essaim de Dyson.

Proposée d’abord par Freeman Dyson, il s’agit de l’idée d’utiliser toutes les roches et métaux disponibles dans le système solaire, et de construire un essaim d’habitats spatiaux encore plus grand que les cylindres O’Neil, potentiellement avec une surface équivalente à celle de la Terre chacun, afin de capter le maximum d’énergie solaire possible.

Source: Wikipedia

C’est également considéré comme une sorte de « fin de partie » pour toute civilisation spatiale. Il est difficile d’imaginer quelque chose de plus high‑tech que de littéralement démonter des planètes pour optimiser l’utilisation de leur matière et de l’énergie du Soleil.

Cela a été une « techno‑signature » intensément recherchée par les astronomes afin de détecter d’éventuelles civilisations technologiques extraterrestres.

C’est évidemment un sujet très controversé, mais il semble que déjà 60 étoiles pourraient correspondre à ce profil. Le débat reste vif parmi les astronomes, car il pourrait simplement s’agir d’un nouveau type d’étoile. Néanmoins, cela intrigue les passionnés d’exploration spatiale et ouvrirait une toute nouvelle perspective sur jusqu’où l’humanité pourrait aller en visant les étoiles.

Vous pouvez également trouver beaucoup plus d’art conceptuel magnifique et de miniatures concernant la colonisation spatiale et les infrastructures dont nous avons parlé ici sur Spacehabs.

Investir dans les infrastructures spatiales

L’espace est une industrie très établie qui connaît une renaissance et une croissance explosive grâce aux fusées réutilisables. Nous avons expliqué comment cela créera de nouvelles opportunités dans notre article « Fusées réutilisables pour créer de multiples nouveaux marchés en réduisant drastiquement les coûts ».

Le marché spatial actuel est de 443 milliards de dollars. Même en ignorant les idées plus spéculatives (mais potentiellement très lucratives) comme l’exploitation d’astéroïdes, le tourisme spatial et les vols hypersoniques pourraient ajouter encore 350 milliards de dollars de revenus, auxquels s’ajoute une prévision de 17 milliards de dollars pour l’Internet par satellite, ainsi que les applications militaires et les bases lunaires subventionnées, les projets scientifiques, etc.

Vous pouvez investir dans des sociétés liées à l’espace via de nombreux courtiers, et vous trouverez sur ce site nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, au Canada, en Australie, au Royaume‑Uni, et dans de nombreux autres pays.

Si vous n’êtes pas intéressé par le choix d’entreprises spécifiques liées à l’espace, vous pouvez également envisager des ETF comme ARK Space Exploration & Innovation ETF (ARKX) ou VanEck Space Innovators UCITS ETF (JEDI) pour profiter de la croissance du secteur spatial dans son ensemble.

Entreprises d’infrastructures spatiales

1. Rocket Lab

Rocket Lab est l’un des concurrents les plus sérieux sur le marché des fusées réutilisables. L’entreprise s’est initialement concentrée sur les petites fusées, avec le système de lancement Electron (320 kg de charge utile), qui est progressivement transformé en une fusée partiellement réutilisable. Jusqu’à présent, Electron a déployé 177 satellites lors de 44 lancements.

Par la suite, Rocket Lab envisage de créer une fusée réutilisable de taille moyenne, le Neutron, comparable au Falcon 9 (8 000 kg en LEO en mode entièrement réutilisable, 1 500 kg vers Mars ou Vénus). Le Neutron sera propulsé par un moteur à méthane (comme le Starship), qui semble devenir la tendance pour la prochaine génération de fusées.

L’entreprise se distingue par son processus de fabrication de satellites entièrement intégré verticalement, ce qui lui permet d’optimiser les coûts et la rapidité de conception. Cela a conduit à de multiples contrats avec la NASA & le gouvernement américain, dont un contrat militaire de 515 M$. et un contrat civil de 143 M$ pour Globalstar.

Rocket Lab est également un important fabricant de panneaux solaires pour satellites après son acquisition de SolAero Technologies en 2022, avec plus de 1 000 satellites alimentés par ces panneaux, et un total de 4 MW de cellules solaires fabriquées.

Source: Rocket Lab

Pour l’instant, son système de lancement dépend de fournisseurs externes, mais une série d’acquisitions stratégiques  devrait changer cela, en reproduisant dans le système de lancement l’intégration verticale déjà atteinte dans la conception et la fabrication de satellites.

L’entreprise envisage également la possibilité d’une constellation de télécommunications en LEO pour générer des revenus récurrents. Elle contribue également à la recherche pour la fabrication spatiale avec Varda Space Industries et l’inspection des débris orbitaux.

Alors que SpaceX bénéficiait du talent commercial d’Elon Musk pour développer sa technologie de zéro, Rocket Lab a utilisé un mélange de R&D et d’acquisitions pour intégrer verticalement la technologie requise. Cela a très bien fonctionné dans la fabrication de satellites, et ils cherchent maintenant à reproduire cette stratégie pour les fusées réutilisables.

Compte tenu des flux de trésorerie existants provenant de la production de satellites & des succès d’Electron, Rocket Lab est un bon candidat pour rattraper SpaceX, du moins jusqu’à ce que les mass drivers et d’autres infrastructures soient construits dans quelques décennies.

2. Virgin Galactic

L’entreprise a été fondée par Richard Branson et se concentre sur le tourisme spatial.

Les billets sont compris entre 250 000 $ et 450 000 $, avec une longue liste d’attente. Les premiers clients semblent ravis de leur expérience :

« J’ai toujours su que ce serait l’expérience la plus extraordinaire de ma vie. Je l’ai toujours su. Et les gens m’ont un peu dit que ce serait le cas. Mais quand c’est… et que c’est à un autre niveau que l’expérience que vous pensiez avoir… alors c’est très difficile à expliquer. »

« C’est la meilleure journée de ma vie, la journée la plus sensationnelle de ma vie. Et on ne peut pas faire mieux que ça. Cela a dépassé mes rêves les plus fous. »

Virgin Galactic (SPCE ) travaille à améliorer son économie d’unité, avec un nouveau système de lancement, le « Delta », capable de transporter 6 passagers au lieu de 4, et d’effectuer 8 vols par mois au lieu d’un seul.

Ensemble, ces deux améliorations devraient augmenter le revenu par unité de 12 fois, avec un délai de récupération inférieur à 6 mois pour chaque navette Delta. Le test en vol du Delta est prévu pour le milieu de 2025.

Source: Virgin Galactic

Les marchés étaient inquiets lorsqu’il a été annoncé que Branson n’investirait plus davantage dans Virgin Galactic. Surtout après le licenciement de 185 employés et la pause des vols spatiaux en 2024, afin d’attendre l’arrivée de la navette Delta et de réduire la vitesse de combustion de trésorerie.

Cependant, Virgin Galactic devrait disposer de suffisamment de liquidités pour fonctionner jusqu’en 2025 ou 2026. Ainsi, si le développement du système de vol Delta se déroule sans accroc (une proposition risquée dans l’industrie aérospatiale), l’entreprise devrait pouvoir se concentrer sur la relance et la croissance du flux de trésorerie, avec un système rentable à l’unité. Et amener l’entreprise à devenir positive en trésorerie en 2026.

Source: Virgin Galactic

(Il convient de noter que Virgin Galactic est différente de Virgin Orbit. Virgin Orbit a déposé le bilan en avril 2023, et fournissait des services de lancement pour de petits satellites, avec Rocket Lab acquérant l’installation de Long Beach, la fabrication et les actifs d’outillage de la société).

Le récent dépôt de bilan de Virgin Orbit et la prise de distance de Virgin Galactic par le fondateur Richard Branson ont terni l’image de l’entreprise auprès des investisseurs, entraînant une chute du cours de l’action en 2023 et 2024.

Il est fortement recommandé de faire preuve de prudence concernant l’action elle‑même. 

En même temps, la satisfaction des clients précédents, un plan clair pour un design rentable (navettes Delta), et une longue liste d’attente de clients potentiels montrent que l’entreprise pourrait encore être viable même sans lever davantage de fonds.

À condition qu’elle puisse faire voler la navette de classe Delta assez rapidement. Jusqu’à présent, l’usine pour construire le Delta est terminée, et la construction devrait démarrer au premier trimestre 2025.

Beaucoup dépendra du succès du développement, de la fabrication et de l’exploitation de la navette Delta et de son aboutissement avant la fin de 2025.

Si c’est le cas, la valorisation beaucoup plus basse créerait une opportunité pour les investisseurs d’acquérir des actions de la société à prix réduit.