En cas d'urgence climatique : déployer des bulles spatiales pour bloquer le soleil

Par MIT16 juillet 2022

Si le changement climatique est déjà allé trop loin, quelles pourraient être nos solutions d'urgence ? Crédit : MIT

Un groupe interdisciplinaire de scientifiques du Massachusetts Institute of Technology explore un bouclier solaire spatial pour réduire le rayonnement entrant à la surface de la Terre, et ainsi lutter contre le changement climatique.

Alors que la température de la Terre augmente, la question de la réponse de l'humanité au changement climatique devient plus urgente : notre impact négatif est-il déjà allé trop loin ? Est-il trop tard pour réparer les dégâts ?

A proposal currently being developed by a transdisciplinary team at the Massachusetts Institute of Technology (MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> MIT) propose une approche qui compléterait les solutions actuelles d'atténuation et d'adaptation au changement climatique. "Space Bubbles", inspiré d'une idée proposée à l'origine par l'astronome Robert Angel, est basé sur le déploiement d'un radeau dans l'espace composé de petites bulles gonflables dans le but de protéger la Terre d'une petite partie du rayonnement solaire.

La géo-ingénierie pourrait être notre dernière et unique option. Pourtant, la plupart des propositions de géo-ingénierie sont liées à la terre, ce qui pose d'énormes risques pour notre écosystème vivant. Crédit : MIT

Ce projet s'inscrit dans une démarche de géo-ingénierie solaire – un ensemble de technologies visant à refléter une fraction de la lumière solaire arrivant sur la Terre – pour lutter contre le changement climatique. Contrairement à d'autres efforts de géo-ingénierie basés sur la Terre, tels que la dissolution de gaz dans la stratosphère pour augmenter son effet albédo, cette méthode n'interférerait pas directement avec notre biosphère et poserait donc moins de risques d'altérer nos écosystèmes déjà fragiles. Le radeau lui-même (les chercheurs émettent l'hypothèse d'un engin à peu près de la taille du Brésil) composé de bulles gelées serait suspendu dans l'espace près du point de Lagrange L1, un emplacement entre la Terre et le soleil où l'influence gravitationnelle du soleil et de la Terre s'annule.

Cette proposition répond à de nombreuses questions : comment concevoir le meilleur matériau pour que les bulles résistent aux conditions de l'espace extra-atmosphérique ? Comment fabriquer et déployer ces bulles dans l'espace ? Comment rendre le bouclier entièrement réversible ? Quels sont les effets potentiels à long terme sur l'écosystème terrestre ?

Alors que la lutte contre le changement climatique nécessite nécessairement de réduire les émissions de CO2 sur la Terre, d'autres approches telles que la géo-ingénierie pourraient compléter ces efforts si les mesures d'atténuation et d'adaptation actuelles s'avéraient insuffisantes pour inverser les tendances actuelles du changement climatique.[1] En particulier, la géo-ingénierie solaire - un ensemble de technologies visant à refléter une fraction de la lumière solaire arrivant sur la Terre - s'est théoriquement avérée être une solution précieuse pour compléter les efforts actuels de réduction des émissions de CO2.[2]

En nous appuyant sur les travaux de Roger Angel, qui a été le premier à proposer l'utilisation de films réfléchissants minces dans l'espace, nous avons produit une solution innovante facilement déployable et entièrement réversible. Crédit : MIT

La géo-ingénierie solaire est l'un des sujets les moins étudiés dans les technologies des sciences du climat. La plupart des efforts de recherche se sont concentrés sur la dissolution de composants chimiques réfléchissants dans la troposphère ou la stratosphère qui compenseraient le rayonnement solaire entrant, [3] face à des problèmes d'irréversibilité et d'autres effets de serre. La géo-ingénierie spatiale offre une opportunité de résoudre le problème sans effet direct sur la chimie stratosphérique.

James Early [4] a proposé l'idée d'un film déflectif multicouche à déployer au point de Lagrangien (L1, voir Figure 1a) entre le Soleil et la Terre, réduisant la lumière solaire incidente de 1,8 %. Roger Angel, [5] s'appuyant sur les recherches d'Early, a étudié l'idée d'un essaim de petits engins spatiaux déployant des boucliers plus petits, proposant un premier plan de faisabilité pour la technologie. Les principaux défis associés aux propositions ci-dessus sont la complexité de la préfabrication d'un grand film, de son transport et de son déploiement dans l'espace. D'autres idées consistent à créer un nuage de poussières d'astéroïdes[6] à L1, ce qui pose le problème du confinement de la matière. Parmi les problèmes avec les approches existantes : la quantité de matériel nécessaire, la difficulté de la fabrication dans l'espace et la non-réversibilité de tels projets de géo-ingénierie.

Les bulles pourraient être fabriquées directement dans l'espace extra-atmosphérique, formant un vaste radeau de déviation positionné au point de Lagrange entre la Terre et le Soleil. Crédit : MIT

En général, la plupart des recherches n'ont pas encore dépassé le stade de l'étude de faisabilité approximative. Dans cette proposition, nous réunissons une équipe interdisciplinaire de scientifiques du MIT pour faire un prochain niveau de faisabilité. Comme hypothèse de travail, nous proposons d'explorer l'idée de protéger du rayonnement solaire en déployant un ensemble de radeaux à bulles composés de réseaux de petites bulles gonflables interconnectées (voir Figure 1b) à proximité du point de Lagrange L1 entre le Soleil et la Terre.

Nous pensons que le gonflement de sphères à couches minces directement dans l'espace à partir d'un matériau fondu homogène, tel que le silicium, peut fournir la variation d'épaisseur qui réfracte un spectre d'ondes plus large et nous permet d'éviter la nécessité de lancer de grands éléments de film structurel. Les sphères peuvent être fabriquées directement dans l'espace, optimisant ainsi les coûts d'expédition. De plus, comme les bulles peuvent être intentionnellement détruites en rompant leur équilibre de surface, cela rendrait la solution de géo-ingénierie solaire entièrement réversible et réduirait considérablement les débris spatiaux. Veuillez toutefois noter que le radeau à bulles n'est pour l'instant qu'une hypothèse de travail et qu'il pourrait être révisé lors de la préparation du livre blanc.

Interdisciplinaire dans sa nature, le projet implique un éventail de problèmes de recherche dans un certain nombre de disciplines, de l'optique et de la mécanique des couches minces dans l'espace, à l'impact de l'ombrage sur la Terre, à la mise en œuvre des politiques publiques. Les sous-sections ci-dessous présentent les principaux défis et les stratégies préliminaires pour les relever [avec les disciplines impliquées] :

Une phase fondamentale de ce projet consiste à sélectionner le bon matériau et la bonne technologie pour fabriquer et entretenir des sphères à couches minces dans des conditions spatiales. Dans nos expériences préliminaires, nous avons réussi à gonfler une bulle à couche mince à une pression de 0,0028 atm et à la maintenir à environ -50 ° C (pour se rapprocher des conditions spatiales de pression nulle et de température proche de zéro, voir la figure 1c).

Further research will investigate the use of other types of low vapor-pressure materials to rapidly inflate and assemble bubble rafts (including silicon-based melts, and grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> liquides ioniques renforcés au graphène qui ont des pressions de vapeur ultra-faibles et des densités relativement faibles); les principaux paramètres de conception comprennent les propriétés thermiques visqueuses et interfaciales des formeurs de bulles pendant le gonflage ainsi que les propriétés optiques et structurelles des radeaux à bulles lorsqu'ils sont exposés au rayonnement solaire. [sciences des matériaux, génie mécanique, dynamique des fluides]

Figure 1 - (a) Emplacement du point de Lagrange L1 tel que décrit dans [5] (b) Radeau à bulles sur une surface d'eau (avec la permission de l'Université du Wisconsin) (c) Bulle à couche mince congelée d'environ 20 mm de diamètre à 0,0028 atm (expérience réalisée au MIT). Crédit : MIT

Nous étudierons si un bouclier à base de bulles est efficace en masse par rapport aux autres solutions d'ombrage proposées. Lorsque de fines sphères fluides sont gonflées, l'épaisseur minimale du film liquide formant la coque peut théoriquement être aussi faible que 20 nm en raison de la pression de disjonction de surface et de l'effet Marangoni. Cependant, pour dévier la lumière solaire, l'épaisseur des coquilles doit être comparable aux longueurs d'onde solaires (c'est-à-dire de l'ordre de 400-600 nm). Nos calculs initiaux, en considérant des bulles sphériques à base de liquide, suggèrent que la densité de masse attendue du radeau résultant serait <1,5 g/m2, à égalité avec le bouclier le plus léger proposé par Angel.[3-5] [physique, optique]

Alors qu'au point de Lagrange L1, les forces gravitationnelles de la Terre et du Soleil s'annulent, un radeau à bulles large et mince serait considérablement exposé à la pression du rayonnement solaire, ce qui suggère que l'emplacement optimal devrait être identifié légèrement plus près du Soleil, à environ 2,5 Gm de la terre. Un mécanisme de stabilisation active est nécessaire et devra être conçu, de préférence par modification de la géométrie [ingénierie aérospatiale, sciences planétaires, robotique]

Dans des laboratoires du MIT, ils ont testé des bulles dans des conditions spatiales qui pourraient être l'une des structures à couche mince les plus efficaces pour dévier le rayonnement solaire. Crédit : MIT

Des recherches antérieures en géo-ingénierie[2,3] suggèrent que pour inverser les effets du changement climatique, le rayonnement solaire entrant devrait être réduit de 1,8 %, même si des pourcentages plus faibles suffiraient à compléter les initiatives d'atténuation du réchauffement climatique sur Terre.[7] Un modèle de réflexion du rayonnement solaire sera construit et utilisé pour déterminer les propriétés optiques du radeau à bulles, tandis qu'une analyse plus approfondie avec des modèles climatiques identifiera la fraction de réduction du rayonnement solaire souhaitée. [physique, optique, sciences du climat]

Un avantage significatif d'un radeau à bulles est peut-être la possibilité d'un assemblage in situ à l'aide de méthodes de fabrication spatiales. Les bulles peuvent être rapidement gonflées à l'intérieur de l'unité de production, puis rapidement congelées et libérées dans un espace à pression nulle et à basse température. La coordination du processus de livraison, de transfert de matière première, de gonflage et la coordination des radeaux à bulles résultants seront étudiées. De plus, de nouvelles façons d'expédier le matériau depuis la terre seront étudiées, y compris les accélérateurs magnétiques (railgun) comme déjà proposés dans la littérature. [génie aérospatial, génie mécanique, robotique]

Si un radeau à bulles n'est plus nécessaire, les feuilles de sphères minces sont faciles à détruire en brisant leur équilibre de surface et en les effondrant de leur point d'équilibre métastable à une configuration d'énergie inférieure. Cela minimise les débris par rapport aux autres approches proposées et le rend plus sûr et plus résistant en cas d'impact avec d'autres objets. La maintenance d'un bouclier aussi fragile est un défi, et un taux de réapprovisionnement efficace sera étudié pour s'assurer que le bouclier conserve sa taille, ainsi que des stratégies pour garantir une transition en douceur en fin de vie. [sciences du climat, génie aérospatial]

Malgré l'éloignement de l'atmosphère terrestre, certaines études suggèrent que des phénomènes complexes peuvent survenir sur le climat terrestre en raison de la réduction du rayonnement solaire, comme l'affaiblissement des trajectoires de tempêtes extratropicales.[8] Cet aspect sera approfondi avec différentes fractions de réduction du rayonnement solaire. En outre, une approche d'élimination progressive sera conçue pour éviter le choc de l'écosystème terrestre d'un arrêt soudain du programme de géo-ingénierie lorsqu'il ne sera plus nécessaire (des études identifient la durée de vie nécessaire dans une plage de 50 à 200 ans).[7] [génie de l'environnement, sciences du climat]

Comment obtenir le maximum de synergies entre les réductions d'émissions et la géo-ingénierie solaire est un problème de politique publique qui nécessite une enquête approfondie. De plus, des recherches seront menées sur les sujets suivants : comment surmonter l'opposition politique et la peur politique ; comment éviter ce qui a été qualifié d'"aléa moral" ;[9] comment rendre le projet économiquement viable ; comment ouvrir la conception de la solution pour un engagement généralisé. [sciences politiques, économie]

Dans la prochaine phase du projet, des analyses formelles et des simulations des sujets susmentionnés seront menées, ainsi qu'une expérimentation préliminaire de production en laboratoire. Si en effet le concept de radeau à bulles s'avère être la solution la plus intéressante (du point de vue du coût et de la densité de masse), des recherches supplémentaires seront nécessaires pour améliorer la conception, fabriquer un radeau à bulles d'essai en orbite basse et, en cas de succès, tester le déploiement dans l'espace extra-atmosphérique.

Dans sa plus grande mesure, comme l'a discuté Roger Angel, [5] le système pourrait compenser 100 % de l'effet des gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Nous pensons qu'une fois qu'une solution technique est identifiée, sa mise en œuvre pourrait avoir lieu avant la fin du siècle, lorsque les conséquences les plus graves du changement climatique sont actuellement prédites. En termes de coût, une première estimation a été proposée par Roger Angel à environ 0,5 % du PIB mondial sur 50 ans ; l'approfondissement de la faisabilité tel que proposé ici nous aidera à arriver à des estimations plus précises. En bref, nous pensons que faire progresser la faisabilité d'un bouclier solaire au niveau supérieur pourrait constituer un plan supplémentaire pour une transition bas carbone sur Terre - et en tout cas nous aider à prendre des décisions plus éclairées dans les années à venir si les approches de géo-ingénierie devenaient urgentes.

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Les références: