Quelle est l'empreinte carbone des voyages dans l'espace ?

Quelle est l'empreinte carbone des voyages dans l'espace ?

Qui n'a pas été impressionné par le récent et incroyable lancement de Space X avec équipage le 30 mai dernier ? Deux astronautes ont quitté avec succès l'atmosphère terrestre pour s'amarrer à la station spatiale internationale à bord d'une fusée semi-réutilisable. Il s'agit clairement d'une réussite incroyable qui a permis aux États-Unis de revenir à l'avant-garde du voyage spatial. En outre, cette étape importante nous rapproche des vols habités vers Mars, ce qui, je pense, se produira très probablement au cours de la prochaine décennie. J'aime l'idée que la NASA externalise les "choses faciles" pour se concentrer sur le plus grand prix, à savoir Mars !

En regardant le lancement, j'ai réfléchi à l'empreinte carbone et à l'impact environnemental du déplacement de la capsule Dragon de 400 kilomètres dans l'espace pour rejoindre la Station spatiale internationale (ISS). J'ai été surpris de la difficulté à répondre à la question de l'empreinte carbone - et plus inquiétant encore, de la douteuse fiabilité des calculs - j'ai donc rassemblé divers chiffres sur Internet pour essayer de me faire une idée de la situation - mes calculs sont ci-dessous, alors n'hésitez pas à remettre en question la logique sous-jacente.

Calculer l'empreinte carbone

La fusée Falcon 9 est propulsée par 9 moteurs Merlin. Les moteurs Merlin génèrent environ 1,7 million de livres de poussée à pleine puissance, consommant un mélange de kérosène surfondu et de propergols cryogéniques à oxygène liquide. Environ 155 tonnes de kérosène liquide refroidi sont consommées lors d'un lancement, ainsi que 362 tonnes d'oxygène liquide. C'est beaucoup de carburant qui se trouve juste sous nos deux astronautes. Non seulement du carburant aviation de haute qualité est brûlé, mais aussi beaucoup d'oxygène est utilisé dans le processus de combustion. Quelle est donc l'empreinte carbone du lancement ?

• Le kérosène a une intensité carbonique de 3 kg de carbone par kg de kérosène [I]. Ainsi, le carbone généré par le kérosène utilisé dans le lancement est de 465 tonnes.

• L'oxygène utilisé est produit par un processus cryogénique qui utilise de l'électricité pour refroidir l'air afin de libérer l'oxygène. En supposant que le stockage et le transport sont relativement efficaces et que l'électricité du réseau est utilisée pour produire l'oxygène, le carbone émis lors de la production de l'oxygène est de 650 tonnes supplémentaires (voir calcul ci-dessous).

L'empreinte carbone totale du kérosène et de l'oxygène est donc d'environ 1115 tonnes. L'empreinte carbone annuelle de "278" citoyens du monde en moyenne. En toute honnêteté, je me serais attendu à ce qu'elle soit bien plus importante.

Il est possible de produire de l'oxygène en utilisant de l'électricité sans carbone, mais comme personne ne le crie, je doute que cela se produise (je serais heureux qu'on me corrige !).

En comparaison, un Boeing 747 consomme environ 4 litres de carburant par seconde. Un vol Londres-New York consomme au total environ 70 tonnes de carburant, avec une empreinte carbone d'environ 210 tonnes dans chaque sens. Si l'on compare cela à notre lancement, nous utilisons l'équivalent de cinq vols transatlantiques aller-retour.

Une autre mesure est celle des émissions par passager et par kilomètre parcouru - qui, pour le récent voyage vers l'ISS de deux avions seulement, est d'environ 700 kg/km (j'ai supposé 400 km aller-retour sans carburant), contre 0,133 kg/km pour un vol intérieur ou 177 kg/km pour un voyage en voiture [ii]. Cela améliore considérablement l'efficacité de la capsule Dragon, qui peut accueillir sept astronautes.

Il est probablement idiot de comparer les voyages dans l'espace avec le train et l'avion, mais cela montre bien la quantité d'énergie utilisée et donc la quantité de carbone émise.

Autres considérations

Je pense que ce qui précède est peut-être un peu plus élevé si l'on ajoute les pertes dans le transport et la production des deux combustibles. J'ai eu du mal à trouver des données à ce sujet, mais il est probable qu'elles augmentent encore l'empreinte écologique. Un grand pas vers la décarbonisation des voyages spatiaux serait de générer et de transporter tout cet oxygène en utilisant de l'électricité verte à zéro carbone !

Il existe d'autres impacts intéressants du voyage spatial en ce qui concerne les endroits où les émissions se produisent, par exemple la suie dans la haute atmosphère et l'appauvrissement de la couche d'ozone [v]. Je ne les ai pas abordés ici car ils sont très complexes et la science ne semble pas être très claire quant à leur impact. Ils deviennent cependant de plus en plus importants à mesure que le nombre de lancements de fusées augmente.

Conclusion

On compte environ 100 lancements spatiaux par an dans le monde, mais avec le tourisme spatial et l'augmentation du nombre de lancements de satellites, ce chiffre devrait dépasser largement les 1000 [iii]. Si nous prenons notre bilan carbone pour notre lancement, nous arrivons à une empreinte carbone pour les voyages spatiaux d'environ 3,1 millions de tonnes en quelques années seulement - avec les dommages causés à la couche d'ozone et la suie dans la haute atmosphère. À mesure que les voyages spatiaux se développent et que Mars semble de plus en plus possible, il deviendra plus important de gérer l'empreinte, ici sur terre, de nos aspirations à explorer notre système solaire.

Si vous voulez voir de la vraie puissance, montez le volume et cliquez sur "Play" pour voir cette vidéo étonnante d'un moteur Merlin en cours de test !

et si vous voulez la revoir - voici le lancement !

Des maths !

Il n'y a pas beaucoup de données disponibles gratuitement sur l'intensité carbonique de l'oxygène liquide. J'ai donc pris l'exemple d'une centrale à oxygène de 300 kW[iv] qui utilise 300 kW d'électricité pour produire 2 tonnes par jour. Pour produire une tonne d'oxygène liquide, il faut environ 3,6 MWHr d'électricité. Pour produire les 362 tonnes d'oxygène liquide nécessaires au lancement, vous devez donc avoir besoin de 1300MWHr d'électricité. L'intensité carbone moyenne du réseau aux États-Unis est de 0,5 tonne de dioxyde de carbone par MWHr. Par conséquent, le carbone généré lors de la production de l'oxygène pour le lancement est d'environ 650 tonnes si l'on utilise l'électricité "standard" du réseau américain. L'endroit où l'oxygène est produit a vraiment de l'importance ici - s'il est produit dans la ceinture solaire de Californie, il sera beaucoup moins important que s'il est produit à partir d'électricité produite à partir de charbon. La géographie a une grande importance en ce qui concerne l'intensité de carbone !

[i] www.engineeringtoolbox.com/co2-emission-fuels-d_1085.html

[ii] www.bbc.co.uk/news/science-environment-49349566

[iii] www.space.com/elon-musk-starship-spacex-flights-mars-colony.html

[iv] advancedtech.airliquide.com/liquid-oxygen-lox-plant

[v] www.sciencefocus.com/space/are-space-launches-bad-for-the-environment/