Les cubesats – mini satellites grandes possibilités

Dossiers écrits
By Clara Azemard
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Chronique de Clara présentée dans le cadre de l’émission PS536 – Servir carrément la science

Aujourd’hui pour ce thème je vais vous parler de carrés dans l’espace. Alors non ce ne sont pas des planètes qu’on a fait pousser entre 6 planches mais des cubesats. 

Késako ?

Les cubesats font partie de la famille des nanosatellites. Ce sont des petits satellites construits sur la base d’unités cubiques 1U = 10cm x 10cm x 10cm avec un poids total sous les 2kg. Un des intérêts est qu’on peut mettre plusieurs unités ensemble. Actuellement les cubesats varient entre 0,25U donc globalement des dés de 2,5cm à 27U (par encore mis en orbite et la majorité des cubesats envoyés ces dernières années sont de 3 ou 6U ce qui permet de porter jusqu’à 10kg de charge. 

CubeSats sizes from 1U to 16U by ECM Space (ExoLaunch)

Historique

Je vais vous raconter un peu leur histoire. Elle commence en 1999 quand des chercheurs – Jordi Puig-Suiari de l California Polytechnic State University et Bob Twiggs de l’Université de Stanford décide de créer des mini satellites cubique comme projet éducatif afin d’apprendre aux étudiants l’électronique, la programmation et plus généralement l’informatique autour des satellites bref un TP. C’est un bon moyen pour éventuellement pouvoir envoyer des expériences en orbite mais à un prix abordable par les universités. En effet, comme ils sont tout petits, les cubesats peuvent faire du stop sur des lancés prévus et juste se rattacher à un emplacement libre pour être déployés par la suite par un système de ressort ce qui réduit très fortement le cout de l’opération. L’idée est plutôt bonne mais ne rencontre pas un succès immédiat, pour ne pas dire qu’on les prend carrément de haut. D’ailleurs aucune organisation spatiale n’apporte de finance à ce projet. Les premiers lancés – en 2003 pour le tout premiers – sont effectués sur des lanceurs russes, c’est pour dire. En fait l’industrie spatiale du lancement leur dit clairement que ça ne fait pas de profit, et en a rien à faire de l’aspect éducationnel. Bob Twiggs raconte que leur réponse a été « donnez-nous un demi-million de dollars, on étudiera la chose et si ça fait sens économiquement pour nous de le lancer, on le fera ». C’est pourquoi pendant une dizaine d’année la majorité des cubesats lancés provenaient des universités.

Sauf que… c’est hyper rentable et par conséquent la majorité des lancements actuels proviennent d’usages commerciaux, de start-ups, et il y a eu du développement effectué par les corporations aérospatiales. La conséquence est que à ce jour, d’après la base de donnée des nanosatellites (nanosat.eu) au 30 avril 2025, 2730 cubesat avaient été lancés.

La miniaturisation amène des défis technologiques, les premiers Cubesat avait une durée de vie assez faible (quelques mois) une fois en orbite pour des questions entre autre d’énergie puisqu’une batterie pèse lourd et que des panneaux solaires prennent de la place… Maintenant on est sur des durées de plusieurs années pour certains cubesat. Avec l’utilisation commerciale de l’argent a été injecté dans cette technologie les développements sont effectués améliorant la durée de vie, la précision des messures, etc. En plus, ces développements de miniaturisation peuvent être utilisés dans d’autres domaines donc c’est intéressant. 

Les cubesats sont toujours envoyés comme charges secondaires et déployés soit depuis une fusée soit depuis l’ISS. Maintenant, la NASA a même créé la « CubeSat LAunch Initiative » pour subventionner les universités, lycées et autres organisations à but non lucratif. De plus le fait que ça soit très standardisé en terme de taille, de plateforme (c’est à dire tout ce qui est fonctionnement du satellite à la fois appareils de communication, pilotage ou sources d’énergie) etc. fait que maintenant on trouve aussi les composants, des capteurs, des kits et plein d’autres choses standardisés à la bonne taille. Si vous voulez voir ça il y a un site qui s’appelle cubesatshop.com vous pouvez y acheter un spectromètre infrarouge miniature de moins de 230g pour 23700€ tout prêt à être installé sur votre cubesat. Ce qui réduit encore le coût bien évidemment

Conception

Parlons un peu des aspects techniques…

Propulsion :

Pour se déplacer avec un minimum d’énergie plusieurs solutions sont développées : un gaz comprimé relaché, une propulsion chimique, une propulsion électrique mais aussi des voiles solaires qui est une technique utilisant la pression de rayonnement exercée par la lumière, plus précisément les photons, du soleil. Et cette technologie c’était de la SF jusqu’à très récemment, pour moi la voile solaire c’est le vaisseau de Doku dans StarWars II – et la voir se déployer –c’est le cas de le dire- maintenant c’est assez incroyable. C’est d’ailleurs grâce à la technologie Cubesat qu’on a pu démontrer la faisabilité technologique avec NanoSail-D2 en 2010 puisLightSail-1 en 2015 et Light-Sail2 en 2019. Il y en avait un aussi sur Artemis I, le programme pour retourner sur la lune- mais la communication n’a jamais pu être établie.

Energie:

Panneaux solaires qui rechargent des batteries lithium ion. L’idée de faire une sorte d’origami avec les panneaux pour avoir une plus grande surface et donc plus d’énergie est parfois mentionnée.

Utilisation

Bien évidemment, on ne peut pas faire autant de choses avec un cubesat qu’avec une énorme mission spatiale à quelques milliards d’euros cependant ils ont de multiples utilités dans divers domaines comme la communication, l’observation de la Terre, les projets éducatifs biensur, le militaire, la recherche scientifique ou la démonstration de technologie. 

La démonstration technologie correspond à des tests de nouveautés technologiques comme pour les voiles solaires. Ça permet en effet de faire des tests pas chers en orbite. Il faut savoir que toute nouvelle technologie développée pour le spatial doit passer différents niveaux de maturité technologique avant d’être embarqué pour des missions spatiales d’envergure. Cette échelle nommée TLR (Technology readiness level) demande de faire des démonstrations de la maturité technologique et selon la taille on peut comprendre qu’un envoi par cubesat est moins risqué surtout s’il faut en faire plusieurs avant d’atteindre les résultats désirés.

Au niveau des expériences scientifiques on peut par exemple observer la dégradation de molécules, ou de matériaux en orbite lorsque l’on s’affranchi d’une partie de la protection de notre atmosphère. C’est à cet effet que des cubesat sont fabriqués au campus spatial de l’Université Paris Est Créteil par exemple. Car oui, les universités françaises ne sont pas en reste pour les cubesat, mention spéciale au centre spatial de l’université de Montpellier qui déjà lancé 7 Cubesats ! 

 Un autre exemple est celui des cubesats portant un petit observatoire. Les Cubesat sont utiles en astronomie pour étudier le rayonnement des étoiles, le fonctionnement des aurores boréales, les exoplanètes et autres. Le problème des télescopes sur Terre c’est qu’ils n’ont pas accès à toutes les fréquences dans le lointain IR, les UV, les radio fréquence etc. du fait de l’absorption par l’atmosphère terrestre. Evidemment il y a des télescopes dans l’espace comme le JWST (James Webb Spatial Telescope) sauf qu’ils ont de nombreux usages et usagers et par conséquent il y a une forte demande d’heures d’observation qu’il faut répartir entre les utilisations du monde entier. Alors que PicSat, un cubsat français de 3U  peut observer en lumière visible de potentiels transits de la planète géante Beta Pictoris b voire même ses lunes. Ce cubesat a été mis en orbite en 2018, puis s’est arrêté de manière prématuré 2/3 mois plus tard mais depuis 2022 après 4 ans sans nouvelles il s’est remis à envoyer des informations donc il peut potentiellement être réutilisé. L’utilisation pour l’observation des exoplanètes est assez courant, c’est le cas d’autres Cubesat comme CUTE « Colorado Ultraviolet Transit Experiment » de 6U qui a lancé en 2021 et qui a effectué des mesures pendant 27mois et qui a un logo beaucoup trop meugnon avec un petit nounours et un arc-en-ciel. 

Graphique de la Nanosats Database : https://www.nanosats.eu/

Alors là je vous parle de Cube que l’on met en orbite autour de la Terre mais les cubesats sont maintenant déployés plus loin et dans les appels pour les futures missions spatiales il y a clairement des demandes pour des projets d’envoi de petits instruments avec une petite charge utile et c’est des concepts type Cubesat qui seront surement emportés. C’était en projet pour la mission Europa Clipper qui a été lancée vers Europe, une des lunes glacées de Jupiter en octobre 2024, même s’il semblerait que dans la version finale de la mission ils n’y étaient pas. La mission MarCO pour Mars Cube One, qui a été lancée en 2018 et qui consistait en 2Cubesat expérimentaux de 6U, pour un poids total de 13,5 kg, avec des panneaux solaires et des batteries a montré la faisabilité. Envoyés en 2018, ces 2 Cubesats (MarCO-A et MArCO-B surnommés EVE et WALL-E) ont permis de faire des tests de relai de télécommunication entre la Terre et la sonde Insight. Un d’eux a aussi été utilisé pour prendre des photos de Mars et des lunes.

Futur des cubesats ?

  • Projet d’un cubesat en bois   
  • Création d’une constellation de cubesat tout comme on a celles de satellites mais attention lors du déploiement !
  • Et puis pour les universités qui se font un peu damner le pion sur les cubesats l’innovation est maintenant dans les pocketQubes qui sont des cubesat encore plus petit et encore moins cher (oui on n’a pas de thunes à l’université) avec une unité de base de 5cm. Parce que le développement des Cubesat est maintenant totalement dominé par le privé donc certains universitaires se dirigent vers la niche du tout petit cubesat, de quoi jouer aux dés avec l’ISS.

Je veux fabriquer un Cubesat !

Vous voulez faire un cubesat mais n’avez pas d’université avec un tel programme à côté de chez vous, ce n’est pas un souci ! 

Le programme « Fly your satellite » de l’ESA permet aux étudiants de développer leur Cubesat avec l’aide de spécialistes de l’ESA

Et puis si vous aimés le DIY et avez du temps à revendre vous pouvez tout simplement télécharger CubeSat101 – Basic Concepts and processes for First-Time CubeSat Developers, un dossier de la NASA qui vous explique quoi faire en une centaine de pages ! Vous n’avez pas les blue prints mais comme dit précédemment c’est très standardisé donc tout se trouve et ce document vous dit combien de temps vous prendra chaque étape, la documentation pour un vol certifié, comment avoir des financements, bref tous les aspects de gestion de projet et ou trouver les informations. 

Bibliographie :

https://en.wikipedia.org/wiki/CubeSat





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