Voyage sur le Cercle Magique

Voyage sur le Cercle Magique
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Introduction
Ce livret sera votre guide pendant un voyage étonnant dans le monde fascinant des
satellites. Vous y découvrirez des idées scientifiques extraordinaires, établissant un lien
immédiat entre les sciences et le monde dans lequel nous vivons.
Au cours de ce voyage, vous découvrirez en particulier l’orbite géostationnaire souvent
appelée le Cercle Magique. Vous promenant sur ce cercle, vous retrouverez nombre
des théories scientifiques qui vous sont présentées à l’école, appliquées aux différents
aspects de la vie des satellites.
Vous y apprendrez ainsi l’origine des satellites, comment ils fonctionnent et impactent
sur notre vie au quotidien, à travers des milliers de services qu’ils remplissent pour nous,
la plupart du temps sans même que nous ne nous en rendions compte.
Le voyage commence ici.
Thèmes(Page)
1 Mise à feu des moteurs
3
2 En balade sur le Cercle Magique 7
3 Survivre dans le vide spatial
12
4 Rester en contact 16
5 Qu’avez-vous fait avec votre satellite aujourd’hui?
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Sputnik 1
2
1 Décollage
Le premier voyage en orbite autour de la Terre a eu lieu le 4 octobre 1957. Une fusée
soviétique a lancé dans l’espace le premier satellite fabriqué par l’homme, Spoutnik 1.
Spoutnik 1 n’était guère plus qu’une boîte en aluminium de 58cm de largeur et ne pesait
pas plus que 84kg. Son voyage aura duré presque trois mois, bouclant une rotation
complète autour de la terre en un peu moins de 100 minutes. Spoutnik 1 s’est consumé
le 4 janvier 1958 en pénétrant dans l’atmosphère lors de sa retombée vers la terre. Bien
que de taille modeste, Spoutnik 1 n’en a pas moins donné le départ de la conquête
spatiale, ouvrant aux hommes un nouvel espace pour réaliser leurs rêves les plus fous.
Les satellites d’aujourd’hui n’ont plus grand
chose en commun avec Spoutnik 1. Leur
masse au lancement peut atteindre les 6
tonnes et leur envergure dépasser les 40
mètres. Ils sont lancés dans l’espace depuis
des bases spatiales installées en Guyane
française, au Kazakhstan, en Floride (USA),
ou encore en Chine ou en Inde, par des fusées dont les plus grandes, comme l’Ariane 5
ECA, ont une hauteur de plus de 50 m et une masse de 700 tonnes au décollage. Il faut
naturellement une force colossale pour lancer cette énorme masse. C’est la mission
des moteurs de la fusée qui, après une mise à feu spectaculaire, arrachent leur précieux
chargement à l’attraction terrestre. Sortie de l’atmosphère, la fusée libère alors son
satellite dans l’espace à une vitesse d’environ 10 km par seconde, lui permettant de
commencer son long voyage vers le cercle magique.
Assister au lancement d’un satellite dans l’espace est une expérience extraordinaire.
L’émotion et la tension augmentent avec l’allumage des moteurs de la fusée dans
un éclat de lumière et un bruit de tonnerre qui semble faire trembler le monde. Puis
la fusée quitte la terre, s’élevant lentement dans le ciel pour commencer son grand
voyage vers le Cercle Magique.
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La science liée au décollage
Toutes les démarches scientifiques suivent le même chemin – observer et chercher à
répondre aux questions soulevées. A votre tour de suivre ce processus: Pensez encore
une fois aux images de lancement de satellite. Quelles questions vous viennent à l’esprit?
Pouvez-vous expliquer ce qui se passe?
La science en cause est celle de la gravitation. Longtemps les
hommes se sont demandés ce qui pouvait amener la lune et les
étoiles à suivre des cycles réguliers de déplacement tout au long
de l’année. Ils voulaient aussi comprendre ce qui nous maintenait
collés sur le sol. Isaac Newton a alors cherché à rapprocher
l’observation du mouvement régulier de la lune et la chute d’une
pomme tombant d‘un arbre. Il a alors suggéré l’idée qu’il existe
une force d’attraction entre tous les objets de l’univers qui ont
une masse. Cette force d’attraction qui fait tomber la pomme
et garde la lune dans un mouvement régulier autour de la terre
serait la même. Nous disons qu’il y a un champ gravitationnel
autour de tout objet qui a une masse. Quand un autre objet qui
a une masse entre dans ce champ, il subit une force d’attraction.
Conseils pour l’enseignant
En plus d’illustrer la gravité en parlant des pommes qui tombent ou en lançant un
ballon en l’air, vous pouvez étudier avec vos élèves ce phénomène dans le contexte
d’un lancement de satellite. Les questions et la discussion ci-dessous peuvent vous
servir de cadre pour établir les concepts importants. Vous verrez comment cet exemple
vous permettra d’illustrer également l’ensemble des lois de Newton.
Appliquons l’idée de la pesanteur au lancement d’une fusée qui emporte dans l’espace
un satellite. Voici quelques questions pour guider votre réflexion:
Question 1
Juste avant son lancement, la fusée et le satellite qu’elle emporte ont une masse totale
de plus de 7 x 105 kilogrammes. Quelle est la force minimale nécessaire pour soulever cette
masse de la surface de la terre?
Discussion
Parce que la force d’attraction dépend de la masse des objets concernés et de la
distance entre leurs centres, c’est à la surface de la terre que la force gravitationnelle
qui pèse sur la fusée sera la plus grande. Nous savons aussi que quand un objet
tombe vers la terre, son accélération reste constante (g). Malgré l’existence de petites
variations dans la valeur de g en différents points de la surface de la terre, à l’école
nous acceptons le principe de prendre une valeur de 9,8 m.s-2 pour ce type d’exercice.
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La force minimale nécessaire pour soulever un objet sur la surface de la terre est égale
à la force exercée par la terre sur l’objet. La force exercée par la terre sur n’importe quel
objet (poids) est égale au produit de la masse par l’accélération qui résulte de la gravité
(g). Donc la force minimale nécessaire pour soulever la fusée est égale à masse x
g = 7 x 105 kg x 9,8 m.s-2 = 6,86 x 106 N. Veuillez noter que cette force minimale n’est pas
suffisante toutefois pour accélérer la montée de la fusée vers le haut.
Question 2
On a l’impression que la fusée monte d’abord lentement avant de se mettre à accélérer.
Pouvez-vous expliquer pourquoi?
Discussion
L’observation du mouvement de la fusée au moment du décollage est très intéressante.
Appliquons les lois de gravitation énoncées par Newton pour expliquer ce qui se passe.
Rappelez-vous que selon la première loi de Newton, un objet soit restera immobile, soit
continuera à se déplacer à vitesse constante en ligne droite s’il n’est pas soumis à une
force nouvelle. Pourtant nous observons que, pendant le décollage, la fusée accélère.
La force qui la propulse vers le haut doit donc être plus grande que la force de la terre
qui l’attire vers le bas.
La deuxième loi de Newton explique ce qui se passe quand une force est appliquée sur
un objet quelconque. Nous pouvons résumer cette loi dans l’équation suivante:
FR = m x a dans laquelle FR est la force résultante, m est la masse et a est l’accélération
de l’objet.
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Nous pouvons donc conclure qu’une force appliquée à un objet provoque son accélération.
Mais n’oublions pas que la force et l’accélération sont dépendantes aussi de la masse.
Réfléchissons à présent à ce qui change quand on lance une fusée. Deux paramètres
évoluent au cours du mouvement:
• la distance de la terre
• la masse de la fusée
Pouvez-vous prévoir l’effet de ces facteurs sur l’accélération de la fusée?
Distance de la Terre:
Plus la distance entre la fusée et la terre grandit, plus la force d’attraction terrestre
qui «tire» la fusée vers le bas diminue. Ceci signifie qu’il faut moins de poussée pour
maintenir l’accélération de la fusée au fur et à mesure de son éloignement de la terre.
Masse de la fusée
Pendant le décollage, la fusée consomme les carburants de ses réservoirs. Elle libère
également des éléments comme les boosters et les étages inférieurs qui tombent
quelques minutes après le décollage. La masse de la fusée diminue ainsi assez rapidement
ce qui a pour conséquence de réduire aussi la force qui «tire» la fusée vers la terre.
Si on combine ces deux effets, on voit que la force nécessaire pour assurer l’accélération
d’une fusée diminue rapidement. La poussée des moteurs est ainsi contrôlée pendant
toute la séquence de décollage pour garantir que la vitesse finale à laquelle le satellite sera
libéré dans l’espace lui permettra de rejoindre dans les meilleures conditions son orbite.
Question 3
Après le lancement, la trajectoire de la fusée semble s’incliner et ne plus s’élever
uniquement vers le haut. Pourquoi?
Discussion
Si la fusée montait verticalement dans le ciel, ceci voudrait dire que la poussée
est strictement verticale. Toutefois, pour placer un satellite sur la trajectoire qui lui
permettra de rejoindre son orbite, la fusée est inclinée combinant des composantes
de poussée verticales et horizontales. La poussée verticale éloigne la fusée de la terre
et la composante horizontale lui donne une vitesse horizontale. La vitesse horizontale
de la fusée augmente jusqu’au moment où le satellite est libéré dans l’espace pour
poursuivre la route vers son orbite d’exploitation.
Question 4
Comment fonctionnent les moteurs de la fusée?
6
Discussion
Pour répondre à cette question, il nous faut parler à présent
d’énergie et de la troisième loi de Newton.
L’énergie: Les carburants embarqués par la fusée
constituent une réserve de puissance chimique. Au moment
de la mise à feu des moteurs, les carburants sont associés
pour créer une sorte d’explosion qui libère une grande
quantité d’énergie.
Pouvez-vous identifier différentes formes que revêt
cette énergie?
Vous identifierez facilement la chaleur, la lumière et le bruit
(la vibration). Mais la conséquence la plus importante de la
mise à feu est que la fusée commence à se déplacer vers le
haut. Nous disons que la fusée acquiert de l’énergie cinétique
par son déplacement mais aussi de l’énergie gravitationnelle
en changeant sa position au-dessus de la Terre.
Troisième loi de gravitation de Newton: A l’instant de la
mise à feu qui précède le décollage, les gaz éjectés vers le
bas par les moteurs de la fusée développent une poussée
égale à la force d’attraction de la terre sur la fusée. Veuillez
noter que cet ensemble de forces agit sur des objets différents avec des forces qui
s’opposent. Nous appelons l’ensemble de ces deux forces une paire action-réaction.
2 Le voyage vers le Cercle Magique
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Pour assurer leur mission, les fusées doivent traverser l’atmosphère de la Terre. Pendant
cette traversée, plusieurs éléments de la fusée sont libérés. Le satellite reste installé
en totale sécurité sous la coiffe de la fusée, replié pour tenir dans un espace réduit.
Une fois libéré dans l’espace, le satellite déploie partiellement ses panneaux solaires
pour entamer son grand voyage autour de la terre.
Libéré de son lanceur, le satellite suit d’abord une orbite elliptique qui sera ensuite
circularisée. Pendant cette phase initiale du voyage, tous les systèmes embarqués
sont vérifiés et testés par le centre de contrôle de la mission. Le système de propulsion
du satellite est utilisé pour ajuster les trajectoires et assurer la mise à poste du
satellite sur son orbite finale. Vous serez surpris d‘apprendre que chaque satellite est
spécifiquement conçu pour travailler sur une orbite et à une position précises autour
de la Terre. Les orbites des satellites artificiels ne sont ainsi pas identiques. Elles sont
définies par des caractéristiques de distance à la terre, d’inclinaison par rapport au plan
équatorial et de forme de l’orbite.
Le tableau ci-dessous résume les trois grandes familles d’orbite
Nom de l’orbite
Distance de la terre Forme de l’orbite
Orbite basse (LEO)
400 – 2 000 km
Orbite moyenne (MEO)
2 000 – 25 000 km
Orbite géostationnaire (GEO) 35 784 km
Inclinaison vers l’équateur
Circulaire et elliptique Multiple
Circulaire et elliptique Multiple
Unique & circulaire
00
Chaque satellite est placé sur une orbite en fonction de
sa mission. En voici quelques exemples:
• Satellites d’observation
Ces satellites sont en général placés en orbite basse (400
– 1 200 km), sur une trajectoire circulaire. Ceci leur permet
de faire le tour de la terre en quelques heures et d’en
fournir des images très détaillées. Placé sur une orbite
«polaire», un satellite passe par les pôles nord et sud
à chaque rotation pendant que la terre tourne sur ellemême. La conjugaison de ces mouvements lui permet
d’observer une bande différente de la terre à chaque
passage et d’en couvrir la totalité en quelques rotations.
•S
atellites de météorologie et de communications
La plupart de ces satellites doivent rester à la verticale
d’un même point de la terre pour remplir leur mission.
Pour cela, ils doivent être placés sur l’orbite géostationnaire. A cette altitude de 35 784 km,
leur période de rotation est identique au temps que met la terre pour effectuer une
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rotation complète sur elle-même. Pour
un observateur sur la terre, ceci signifie
que le satellite semble immobile. En
réalité, ces satellites se déplacent à
une vitesse d’environ 11 000 km/h
(3 km/s) pour parcourir leur rotation
en 24 heures. L’orbite géostationnaire
est un cercle de 265 000 kilomètres de
circonférence sur lequel les satellites
sont localisés à des positions précises,
tous les 1 500 kilomètres environ. Tous les satellites de communication fonctionnent de
la même façon: ils reçoivent par leurs antennes un signal de la terre qu’ils réamplifient
et renvoient vers la terre sur une zone de couverture définie. Ils peuvent ainsi relier deux
sites distants de plusieurs milliers de kilomètres, y compris dans les régions les plus
isolées, et diffuser en simultané des contenus comme la télévision vers des millions
d’antennes fixes sur de larges zones de couverture.
• Satellites de navigation
Répartis sur six orbites circulaires à environ
20 000 kilomètres au-dessus de la terre et
à une inclinaison de 55° par rapport au plan
équatorial, les 24 satellites du système de
positionnement GPS se déplacent d’une
manière synchronisée qui les fait passer
périodiquement au-dessus d’un même point
géographique. Cette synchronisation permet
d’avoir six satellites en «visibilité» depuis
n’importe quel point de la terre. La connexion avec quatre satellites est suffisante pour
obtenir des informations fiables sur une position ou une vitesse de déplacement.
•L
a station spatiale
internationale («ISS»)
Ce satellite important a été conçu pour
développer et tester des technologies
permettant de poursuivre l’exploration
de l’espace. Un des domaines clé de
travail de la station est l’étude du
comportement humain en mission
spatiale. L’ISS tourne autour de la terre
à une altitude comprise entre 280 et
460 kilomètres. Elle se déplace à une
vitesse moyenne de 28 000 km/h,
bouclant 15,7 orbites par jour.
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• Satellites scientifiques
De nombreux satellites scientifiques comme les Cluster et XMMNewton de l’Agence
Spatiale Européenne suivent des trajectoires elliptiques (en forme ovale) passant près de
la terre pour s’en éloigner le plus loin possible à leur apogée.
Les sciences liées au voyage sur le Cercle Magique
Les orbites qui sont les plus simples à étudier sont les orbites circulaires. Le satellite
y circule à une vitesse constante autour d’un point central fixe (le centre de la Terre).
Appliquons les lois de dynamique de Newton pour expliquer ce qu’il se passe.
La première loi de Newton
Nous savons qu’un objet reste immobile ou se déplace à vitesse et direction constantes
s’il n’est soumis à aucune force. Dessinons le satellite sur son orbite circulaire. Nous
pouvons indiquer à l’aide de flèches dans le dessin ci-dessous la vitesse et l’orientation
du déplacement du satellite à deux positions différentes. On peut alors identifier que
si les deux flèches ne changent pas de dimension (vitesse), elles changent en revanche
de direction.
Pourquoi?
Selon la première loi de Newton, il faut une force extérieure pour empêcher le satellite
de se perdre tout droit dans l’espace.
Dans quelle direction agit cette force perturbatrice? Vous pourriez alors continuer
à placer des flèches tout au long du cercle de l’orbite. Il apparaitrait alors que le
changement de direction des flèches est toujours tourné vers le centre de la terre, d’un
angle constant au fur et à mesure où le satellite avance.
Il doit donc exister une force qui tire le satellite vers le centre de la terre à chaque point de
son orbite. Cette force est celle de l’attraction exercée entre la terre et le satellite. Bien
que situé à 36 000 km d’altitude, le satellite reste en effet dans le champ gravitationnel
de la terre. On dit de cette force gravitationnelle qu’elle fait “tomber” le satellite vers
la terre parce qu’elle en dévie la trajectoire qui sinon serait parfaitement rectiligne. La
terre étant ronde, on dit aussi qu’un satellite est en “chute libre perpétuelle” quand il
est en orbite parce que le sol vers lequel il est attiré se dérobe continuellement sous lui.
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Remarquez que cette force vers le bas ne change pas la vitesse de déplacement
du satellite sur son orbite. Cette vitesse a été acquise par le satellite à la suite de
son lancement par la fusée et des différentes phases de son trajet vers l’orbite
géostationnaire. Comme aucune force n’agit dans cette direction horizontale, la vitesse
du satellite reste constante.
Conseils pour l’enseignant
Quand vous enseignez le mouvement circulaire, vous pouvez utiliser une balle attachée
à une ficelle pour illustrer l’idée principale. Mais les satellites offrent un contexte plus
intéressant et significatif pour étudier ce sujet important de physique.
Voici des questions supplémentaires que vous pourrez aborder:
Question 1
Que signifie une position géostationnaire?
Discussion
Si vous êtes sur un quai et qu’une amie vient vers vous assise dans un train qui roule
à une vitesse de 5m/s, vous pourrez observer leur changement de position à chaque
instant. Mais si vous étiez assis dans le train à côté de votre amie, vous diriez qu’elle
ne change pas de position alors même que le train continue à avancer. Par rapport à
vous, la position de votre amie ne change pas car vous êtes dans le même train, vous
déplaçant à la même vitesse.
Donc, si un satellite situé au-dessus de l’Équateur met pour parcourir son orbite le
même temps que la terre met pour tourner sur elle-même, la position semblera fixe à
un observateur au sol. C’est pourquoi les satellites de communication placés en orbite
géostationnaire peuvent dialoguer avec des antennes fixes sur la terre. Mais rappelez-vous
que si nous étions à une autre position dans l’espace que sur terre, nous pourrions voir que la
terre et les satellites se déplacent ensemble d’une manière parfaitement synchrone.
Question 2
Qu’est-ce que la distance de 36 000 kilomètres au-dessus de la Terre a de particulier?
Discussion
Il y a une relation directe entre la distance au centre de la Terre et le temps que met un
satellite en orbite pour effectuer une rotation complète (période). Les différents types
d’orbite nous aident à confirmer la relation proposée pour la première fois par Kepler: la
période de rotation d’un satellite placé à 35 784 kilomètres au-dessus de l’équateur (ou
42 160 km du centre de la terre) est égale à un jour. C’est donc la même période que celle
de la terre. Un satellite qui serait placé à une autre distance de la terre et/ou sur un autre
plan que celui de l’équateur ne pourrait pas être géostationnaire.
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Le saviez-vous?
En 1945, l’écrivain britannique de science fiction Arthur C. Clarke (connu également
pour avoir écrit 2001 l’Odyssée de l’Espace), a
été le premier à avancer l’idée d’utiliser l’orbite
géostationnaire pour y placer des satellites
de télécommunications établissant que trois
satellites seraient suffisants pour couvrir toute
la planète à l’exception des régions polaires.
Question 3
Les satellites sont-ils en situation de gravité zéro?
Discussion
Cette idée très répandue est fausse. Le champ gravitationnel de la terre ne s’arrête pas
aux limites de l’atmosphère. Même la lune, les astéroïdes, le soleil et les autres planètes
sont concernés par la force gravitationnelle de la terre. Tous les satellites subissent la
force de gravitation. C’est même elle qui les maintient en orbite parce qu’elle s’équilibre
avec la force d’éloignement de la terre acquise au moment du lancement. Cette force
qui fait “tomber” les satellites en orbite, vers un sol qui se dérobe en permanence,
créé une situation d’apesanteur. Il n’y a d’ailleurs pas que les satellites en orbite qui
sont en chute libre perpétuelle mais également tout ce qui est à bord, y compris les
astronautes de la Station Internationale
qui flottent dans leur vaisseau spatial.
3 Survivre dans le vide spatial
Contexte Avant de quitter la terre, le
satellite doit se préparer à survivre dans le
vide spatial. L’espace est un environnement
hostile soumis à des températures extrêmes
variant de -150°C à + 150°C, balayé par les
vents solaires transportant des particules
de haute énergie et par des radiations
électromagnétiques de haute fréquence.
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Tous les satellites sont conçus pour fonctionner dans ces conditions difficiles. Les
équipements de réception et de transmission sont logés et protégés dans un caisson
central. Des panneaux de surface radiative en aluminium évacuent la chaleur dégagée
par les équipements électroniques tandis que les protections thermiques externes
isolent du milieu environnant.
Pour survivre dans l’espace, les satellites ont besoin d’une source d’énergie leur
permettant de faire fonctionner l’équipement à bord. Heureusement l’espace regorge
de radiations électromagnétiques qui constituent une source inépuisable d’énergie.
Les grands panneaux solaires attachés au satellite sont équipés de cellules qui
convertissent l’énergie solaire en énergie électrique. L’énergie électrique produite
est utilisée pour faire fonctionner l’équipement à bord mais également charger les
batteries de réserve. Ces batteries rechargeables sont à leur tour utilisées pour prendre
le relais des panneaux solaires quand le satellite passe dans l’ombre de la terre.
Une autre partie très importante du satellite est le système de propulsion. Ce système
permet aux contrôleurs de la mission sur la terre de veiller au bon maintien à poste
du satellite et corriger les petites variations de trajectoire. Ces manœuvres sont
nécessaires pour compenser les irrégularités du champ gravitationnel qui résultent des
mouvements du soleil, de la lune et d’autres planètes. Quand le satellite arrive en fin de
vie opérationnelle, le système de propulsion est activé pour le transférer sur une orbite
d’altitude plus élevée et libérer sa place sur le Cercle Magique pour de nouveaux engins.
La science de la Survie dans l’espace
Il y a beaucoup de thèmes scientifiques auxquels vous pouvez faire appel quand vous
réfléchissez aux conditions extrêmes de vie en orbite des satellites. Un exemple est
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la propriété des matériaux utilisés pour assurer cette survie et notamment évacuer la
chaleur dégagée par les équipements ou, au contraire, assurer leur isolation thermique.
Voici quelques questions que vous pouvez vous poser sur ce domaine.
Conseils pour l’enseignant
Vous pourrez utiliser ce thème de la Survie dans l’espace pour explorer les propriétés des
matériaux (thermiques, électriques, densité et résistance), comprendre la transformation
de l’énergie (les cellules photovoltaïques) et revenir sur les lois de Newton.
Question 1
Pourquoi le satellite connait-il de tels écarts de température pendant sa vie en orbite?
Discussion
Tous les satellites artificiels vivent au-dessus des couches de l’atmosphère, dans le vide
spatial. Or il faut se souvenir que la chaleur ne circule pas dans le vide. La température
y est donc extrêmement basse. Pour autant, les radiations du soleil y sont très fortes.
Le satellite doit donc vivre avec des températures très élevées sur les parties exposées
aux rayons du soleil et des températures très basses sur les parties à l’ombre.
Réfléchir à ces conditions thermiques extrêmes vous amènera à comprendre que
nous ne pourrions pas survivre sans la protection de l’atmosphère. L’atmosphère
est une bande de gaz très mince qui protège la vie sur terre. Elle permet d’y réguler
la température à un niveau constant par un processus de convection, qui est l’un des
éléments importants de notre système climatique.
Conseils pour l’enseignant
Pour les élèves plus avancés, vous pourriez lier le concept de la température avec
l’énergie cinétique présente dans les particules.
Question 2
Pourquoi le carbone est-il un bon isolateur thermique et pourquoi les métaux sont de
bons conducteurs?
Discussion
Vous pourrez tester ceci en faisant l’expérience avec du graphite et des métaux. Les
panneaux en carbone des satellites, en structure allotropique Buckyball, offrent de
grandes qualités de résistance et d’isolation thermique. Le principe d’un isolant thermique
est que les électrons qui le composent ne sont pas libres de s’agiter. Même soumis à une
source d’énergie thermique, ces électrons ne changent pas de comportement.
Au contraire, un bon conducteur thermique, comme l’aluminium ou l’or, est constitué
de beaucoup d’électrons libres de bouger. Quand un conducteur thermique est placé
près d’une source d’énergie thermique, les électrons s’agitent avec une vitesse accrue,
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se heurtant contre d’autres électrons qui se mettent à leur tour à s’agiter. La chaleur est
ainsi transférée à travers le matériau conducteur.
Question 3
Pouvez-vous identifier les transferts d’énergie qui interviennent dans le fonctionnement
d’un satellite?
Discussion
L’énergie du soleil, que le satellite récupère sous la forme de radiations électromagnétiques,
est convertie en énergie électrique par les cellules photovoltaïques placées sur les grands
panneaux solaires. L’énergie électrique produite est utilisée directement pour alimenter
les équipements électroniques du satellite. Cette énergie permet également de maintenir
en charge les batteries de secours qui prendront le relais des panneaux solaires pendant
la courte période où le satellite sera à l’ombre de la terre.
Durant le processus de charge des batteries, l’énergie électrique fournie par le panneau
solaire est suffisante pour créer une réaction chimique à l’intérieur de la batterie qui
va accroître son potentiel énergétique. Quand les batteries sont utilisées pendant
les périodes où le satellite n’est plus éclairé par le soleil, elles se déchargent et leur
potentiel énergétique chimique est restitué sous forme d’électricité.
Enfin, il ne faut pas oublier que le fonctionnement des batteries et des systèmes
électroniques dégage également de la chaleur.
Conseils pour l’enseignant
Si vous voulez prolonger la réflexion, vous pouvez présenter le fonctionnement d’une
cellule photovoltaïque.
Question 4
Avec quelle fréquence les satellites géostationnaires doivent-ils se reposer sur leurs
batteries?
Discussion
La plupart du temps, le satellite géostationnaire n’utilise pas ses batteries même quand
c’est la nuit pour nous. Ceci s’explique par le fait que le soleil est le plus souvent sur un
plan différent du plan équatorial du satellite et que ses rayons peuvent alimenter les
panneaux solaires sans être gênés par la terre.
Les panneaux peuvent pivoter de manière à recueillir en permanence le maximum
d’énergie solaire. Mais avec le changement de saison, la position du soleil change aussi.
Pendant les deux équinoxes de mars et de septembre, le soleil passe alors par le plan
de l’équateur, entrant en alignement avec la terre et le satellite.
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A ces moments de l’année, le satellite se trouve alors à l’ombre de la Terre pendant
plusieurs minutes d’éclipse toutes les 24 heures. La durée de l’éclipse du satellite
change graduellement avec l’approche de l’équinoxe, et atteint un maximum de 70
minutes. Pendant ces périodes d’ombre, l’énergie stockée dans les batteries remplace
celle des panneaux solaires pour assurer le fonctionnement des équipements.
Question 5
Comment fonctionne le système de propulsion d’un satellite?
Discussion
C’est une autre application des lois de Newton similaire à celle utilisée pour expliquer
le décollage de la fusée sauf que dans ce cas, la combustion est assurée par deux
gaz stockés sous forme liquide qui sont mis sous pression par un gaz inerte comme
l’hélium. La libération des deux gaz de propulsion dans les tuyères créé une combustion
spontanée et génère la poussée. Le pointage des tuyères permet aux contrôleurs de
diriger les poussées dans les directions requises.
4 Rester en contact
Bien sûr ce long voyage sur le Cercle Magique n’a pas comme but ultime de tester la
survie d’un satellite dans l’espace! La mission de ces grands engins n’est rien de moins
que de connecter le monde entier sur la terre. Et l’on peut dire que les satellites de
communications ont véritablement changé la façon de vivre sur la terre.
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Tous les satellites de communications fonctionnent de la même façon. Ils reçoivent
un signal de la terre à travers leurs antennes embarquées, ils amplifient ce signal et
le renvoient à la terre sur une région de couverture désignée. Théoriquement, trois
satellites placés à une distance égale sur l’orbite géostationnaire pourraient couvrir
toute la planète à l’exception des régions polaires.
Mais cela n’est que la théorie. Aujourd’hui plus de 350 satellites se partagent l’orbite
géostationnaire pour assurer des missions précisément calibrées. Chaque satellite
opère dans une fréquence spécifique. La coordination des fréquences entre les
opérateurs de satellites est assurée par une agence des Nations unies basée à Genève
qui s’appelle l’Union Internationale de Télécommunications.
Les signaux transmis de la terre aux satellites couvrent une large gamme de fréquences
de 235 MHz à 30GHz. Ceci permet la diffusion de la télévision, de la radio et de
l’échange de données. Relais en orbite, les satellites reçoivent leurs signaux de la terre
et les renvoient après les avoir réamplifiés et avoir changé leur fréquence et /ou leur
polarisation vers des zones de couvertures spécifiques. Les antennes peuvent être en
mer, dans les airs, dans les villes comme dans les déserts. Pour sa protection, un signal
peut également être crypté et requérir un décodeur pour être reçu.
Les satellites ont véritablement permis aux hommes de vivre l’actualité au niveau
mondial en temps réel. Une équipe de télévision envoie un reportage à un satellite, qui
lui-même à le dirige vers une régie de télévision, qui le partage par satellite avec d’autres
télédiffuseurs dans le monde. Ainsi tous les foyers, équipés pour la réception directe par
satellite ou via un réseau terrestre peuvent partager l’information en simultané.
La science de rester connecté
Les satellites fonctionnent grâce aux propriétés très intéressantes des ondes
électromagnétiques. Ces ondes sont divisées en un spectre large qui distingue les
ondes radio des micro-ondes, les infrarouges, les lumières visibles, les ultraviolets, les
rayons X et les rayons cosmiques. Toutes voyagent à la vitesse de la lumière dans le
vide, avec une composante électrique et une composante magnétique de propagation.
Ces ondes n’ont pas besoin d’un support pour voyager. Ce thème permet d’aborder
également les propriétés des ondes en matière de réflexion, réfraction, interférence
et polarisation.
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Les satellites permettent d’explorer le spectre électromagnétique. Ainsi, les
satellites d’observation exploitent des fréquences distinctes des satellites de télécommunications, travaillant en infrarouge pour recueillir des images de la terre ou en
ultraviolet pour récupérer des images de galaxies éloignées.
Les satellites de communication ne sont pas conçus pour recevoir tout le spectre
naturel mais pour travailler dans des gammes de fréquences spécifiquement allouées
aux télécommunications spatiales. Ils opèrent dans des fréquences de 1,5 GHz (bande
L) à 30 GHz (bande Ka). Dans ces fréquences, ils relaient les communications et rendent
l’information disponible en tout point de la planète.
Conseil pour l’enseignant
Quand vous enseignez la communication, n’oubliez pas d’y souligner le rôle des
satellites.
Pour creuser ce thème, voici quelques questions supplémentaires:
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Question 1
Pouvez-vous calculer le temps que mettra un signal de télévision retransmettant un
événement en direct depuis un stade de Nairobi pour arriver à sa régie de télévision
en passant par le satellite Eutelsat W7 situé à 36° Est (soit la même longitude que
Nairobi)? La distance entre le stade et la régie de télédiffusion est de 10 km, donc
négligeable dans votre calcul.
Discussion
Deux points importants doivent être pris en compte:
Point n0 1: le signal de télévision qui part de l’équipe de reportage vers le satellite et
redescend vers la régie de télédiffusion se déplace à la vitesse de la lumière soit 3 x 108 m/s
Point n0 2: La distance qui sépare le satellite de ces deux lieux est d’environ 36 000
kilomètres.
Solution:
La distance de l’équipe de reportage au satellite est 36 000 km = 3,6 x 107 m
La distance du satellite à la régie de télédiffusion est 36 000 km = 3,6 x 107 m
Distance totale = 2 x 3,6 x 107 m = 7,2 x 107 m
Temps = distance ÷ vitesse
= 7,2 x 107 m ÷ 3 x 108 m.s-1
= 0,24 s
Conseils pour l’enseignant
Une suite à cet exercice est de modifier les distances. Par exemple, vous pouvez utiliser
le satellite ATLANTIC BIRD™ 3 d’Eutelsat qui est situé à 5° Ouest au dessus de l’Équateur.
Vous pouvez aussi demander à vos élèves de faire le même exercice en changeant
les points sur la terre. Par exemple, vous pourriez comparer le temps nécessaire pour
faire voyager un signal quand une distance de 1000 km sépare deux points ayant la
même latitude que vous aurez précisée. Vos élèves pourront résoudre ce problème en
faisant appel à la trigonométrie. Des problèmes plus complexes pourraient mettre en
scène des points à deux lieux très éloignés sur la terre, définis par leurs coordonnées de
latitude et longitude.
Question 2
Pourquoi les antennes de télévision par satellite ont une forme courbe?
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Discussion
Une antenne satellite est en effet
une parabole. Cette forme permet
de recevoir des signaux parallèles
du satellite qui frappent l’antenne
dans la totalité de sa surface et de
faire converger ces signaux reçus vers
son foyer. Regardez attentivement
l’antenne et vous verrez qu’il y a
une tête de réception (« LNB »)
positionnée exactement à ce point
focal. Si vous allez visiter un centre
de télédiffusion, vous verrez que les
antennes d’émission ont également
la même forme.
Question 2
Pourquoi est-ce que les satellites travaillent dans des fréquences distinctes. Qu’est-ce
qui permet aux signaux d’éviter de se brouiller entre eux?
Discussion
La coordination des fréquences par les opérateurs permet de limiter le risque
d’interférences. Au delà des fréquences, les signaux peuvent également être différenciés
par leurs polarisations. Les récepteurs doivent être adaptés à ces paramètres.
5 Qu’est-ce que vous avez fait avec votre satellite aujourd’hui?
Dans cette partie de notre voyage sur le Cercle Magique des satellites, nous voudrions
vous présenter Joe. Son histoire vous aidera peut-être à réfléchir sur le rôle que
les satellites remplissent tous les jours souvent sans même que nous ne nous
en apercevions.
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Je m’appelle Joe et j’ai 22 ans. J’habite un village isolé à environ 250 km de la grande ville.
Nous sommes fermiers et pratiquons l’élevage et l’agriculture.
J’ai été le premier de ma famille à aller à l’école. C’était parfois difficile car je devais
marcher plus de 10 km pour aller à l’école et autant pour rentrer et je devais aussi travailler
à la ferme. Dans cette école, il y avait beaucoup de choses que je n’avais jamais vues
auparavant. En regardant un programme scientifique à la télévision, j’ai décidé qu’il me
fallait en savoir plus sur les sciences et qu’ainsi je pourrais utiliser ces connaissances pour
aider ma famille.
Maintenant j’étudie l’agronomie en ville et je travaille à temps partiel pour gagner un peu
d’argent. J’apprends tellement de choses nouvelles! J’ai ainsi appris à utiliser des modèles
climatiques et interpréter les photos des satellites diffusées tous les jours sur la chaîne
météo. Quand je suis en ville, j’ai besoin de rester en contact avec ma famille. Je peux
les joindre grâce à la cabine téléphonique installée dans leur village et connectée par
satellite. Je peux indiquer à mon père quand la pluie va arriver et quand il faudra préparer
les champs. Nous avons appris l’autre jour qu’il y a des endroits où les fermiers peuvent
obtenir des renseignements par satellite sur la période et la nature des engrais qu’il faut
ajouter aux sols.
Quand je suis arrivé à la ville, j’étais toujours perdu au début. Ça va mieux maintenant.
Je me suis fait des amis et nous nous déplaçons ensemble dans toute la ville. Un de mes
amis a des cartes sur son téléphone mobile et il a même une application qui nous indique
la direction à suivre. Désormais, nous ne sommes plus jamais perdus.
J’aime beaucoup les week-ends en ville. Il s’y passe beaucoup de choses et quoique je n’aie
pas beaucoup d’argent, je peux regarder du football, des concerts ou suivre l’actualité sur
la télévision par satellite du campus. J’apprends aussi beaucoup grâce à l’ordinateur et j’ai
commencé à rencontrer de nouveaux amis en utilisant Facebook. Je peux passer beaucoup
de temps en ligne à chercher et trouver des informations sur les sujets qui m’intéressent.
J’ai découvert l’autre jour qu’il y a une connexion bancaire par satellite au magasin de notre
village et maintenant je peux envoyer de l’argent à ma famille en toute sécurité.
Pouvez-vous identifier les différentes façons par lesquelles les satellites
aident Joe?
Notes additionnelles
Les satellites de communications ne transportent pas seulement les signaux de
télévision pour se divertir. Il y a beaucoup d’autres applications importantes qui ont un
impact positif sur la société.
L’éducation est le facteur clé pour lutter contre la pauvreté. Le télé-enseignement
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par satellite permet aux communautés rurales d’acquérir des connaissances qui
amélioreront leur mode de vie.
La médecine est un autre domaine dans lequel les satellites jouent un rôle clé.
Aujourd’hui, les patients des régions les plus reculées peuvent être examinés avec le
concours de spécialistes situés à des milliers de kilomètres. Les images et les données
du patient sont transmises par satellite au spécialiste qui renvoie un diagnostic et une
prescription au dispensaire.
En situation de catastrophe naturelle, rétablir les communications dans l’urgence
est une priorité pour sauver des vies. Les satellites sont alors indispensables pour
coordonner les opérations de secours alors que les réseaux de communications au
sol sont détruits. Au-delà des télécommunications, les images satellites permettent
également d’identifier l’étendue des sinistres et trouver des moyens d’atteindre les
personnes bloquées.
Les satellites de positionnement sont aussi d’importantes sources d’information qui
ont changé notre vie. Le système GPS permet d’identifier en permanence sa position
même dans les zones les plus reculées.
Les satellites sont une source inépuisable d’information. Grâce à eux, les prévisions
météorologiques ne sont plus un jeu de hasard mais le fruit d’une analyse précise
d’images satellites qui suivent le déplacement des masses d’air. Dans un autre
domaine, les images des satellites permettent de construire des modèles préfigurant
les conséquences de notre mode de vie en termes de pollution ou de réchauffement
de la planète.
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Conseils pour l‘enseignant
L’objectif de cette section est d’illustrer l’impact des satellites sur la société et d’aider
les élèves à réfléchir à la manière dont ils pourraient être utilisés pour résoudre des
problèmes dans leur communauté. Ceci pourrait donner lieu à un débat sur les impacts
positifs et négatifs de la technologie.
Plusieurs observations peuvent alimenter ce débat:
1 Première observation:
Les satellites ont véritablement changé la vie des gens ordinaires.
2 Deuxième observation:
Les satellites donnent aux hommes les moyens de prévoir l’apparition de catastrophes
environnementales.
Ressources pour l’enseignant
Nous vous invitons à consulter le site Internet www.dstvstarawards.com. Vous y
trouverez des ressources complémentaires y compris deux films vidéo que vous pourrez
utiliser pour enseigner tous les thèmes réunis dans ce livret.
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www.dstvstarawards.com
www.eutelsat.com
www.dstvafrica.com
www.mindset.co.za
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Images supplied by: Eutelsat, Fremens,
Edon Productions, Thales Alenia Space,
NASA/Asif A. Siddiqi