Prendre au sérieux la menace des explosions nucléaires à haute altitude

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Aurora Borealis est le terme scientifique donné au phénomène de lumière naturelle des aurores boréales. Le 9 juillet 1962, le phénomène lumineux observé par les Hawaïens était tout sauf naturel. Ce jour-là, le Commissariat à l'énergie atomique, en collaboration avec la Defense Atomic Support Agency, a fait exploser un engin thermonucléaire en orbite terrestre basse. Le test portait le nom de code Starfish Prime et il a révélé une leçon malheureuse : même une détonation nucléaire à haute altitude est particulièrement efficace pour détruire les satellites. Non seulement les satellites dans la ligne de mire ont été détruits, mais même les satellites de l'autre côté de la Terre ont été endommagés et rendus inutilisables. Starfish Prime a endommagé ou détruit environ un tiers de tous les satellites en orbite terrestre basse à l'époque.

La commercialisation en cours de l'espace avec de l'électronique de masse rentable présente une cible alléchante pour les nations ayant un désavantage spatial à cibler bien avant qu'un conflit ne dégénère en échange nucléaire. Par conséquent, le ministère de la Défense devrait prendre au sérieux la planification et la lutte contre la menace d'explosions nucléaires à haute altitude, en commençant par ses divers organismes de financement de la science et de la technologie.

Pour ce faire, le ministère de la Défense devrait envisager de développer un portefeuille de recherche cohérent avec une supervision consolidée qui vise à maximiser la capacité de survie des satellites militaires et commerciaux contre le rayonnement de particules chargées. Le portefeuille devrait se concentrer sur la caractérisation rapide de l'environnement de rayonnement spatial, la diffusion de ces informations pour les contre-mesures satellitaires, le guidage des particules chargées en excès hors de l'orbite et la poursuite de la subvention de la commercialisation en cours de composants électroniques résistants aux rayonnements.

La menace d'explosions nucléaires dans l'espace est marginalisée car la puissance de leurs effets n'est pas largement connue et la probabilité d'une attaque nucléaire dans l'espace est supposée négligeable. Malgré ce scepticisme, les planificateurs de guerre devraient reconnaître que le nombre croissant de satellites dans l'espace peut modifier les structures d'incitation à les désactiver dans une sorte d'attaque nucléaire. La dynamique de l'escalade n'est pas simple non plus. L'utilisation d'une arme nucléaire dans l'espace peut ne pas inviter à une réponse nucléaire. Cela signifie que la manière traditionnelle de dissuader l'utilisation du nucléaire - la menace de représailles catastrophiques - n'est peut-être pas aussi simple que beaucoup le pensent. Dans l'ensemble, il existe de nombreuses incitations à explorer la possibilité de rendre les infrastructures américaines dans l'espace plus résistantes à cette menace permanente.

Leçons tirées des essais nucléaires

La période des années 1940 au début des années 1960 a été une aubaine pour les essais nucléaires dans toutes les configurations exotiques et tous les lieux imaginables. Environ 84% du rendement total de tous les essais nucléaires ont explosé dans l'atmosphère terrestre au cours de cette période. Moins connues sont les rares séries d'essais nucléaires que les États-Unis ont menés sous l'eau et à haute altitude. L'opération Crossroads en 1946 a fait exploser plusieurs armes nucléaires sous l'eau pour tester leur efficacité contre les navires et les sous-marins, mais les résultats ont révélé que les explosions ont dispersé de l'eau radioactive dans l'air qui a plu sur chaque navire avec la zone de dispersion sans détruire de nombreux navires.

Le test Starfish Prime, en revanche, a surpris tout le monde par l'efficacité d'une explosion nucléaire exo-atmosphérique pour détruire des satellites. Le lauréat du prix Nobel Glenn Seaborg, co-découvreur du plutonium et président de la Commission de l'énergie atomique de 1961 à 1971, a écrit : « À notre grande surprise et consternation, il s'est avéré que l'étoile de mer ajoutait de manière significative aux électrons dans les ceintures de Van Allen. résultat a contrevenu à toutes nos prédictions." Plus surprenant encore, le premier satellite de communication commercial au monde, Telstar, a été lancé le lendemain du test Starfish Prime et a encore subi d'importants dommages opérationnels dus aux rayonnements résiduels. Telstar n'a duré que huit mois jusqu'à ce qu'il cesse de répondre en février 1963 en raison d'électronique endommagée. Pour ces raisons ainsi que le souci de l'augmentation des radiations environnementales, les nations du monde ont décidé que les essais d'armes nucléaires à la fois sous l'eau et dans l'espace étaient de mauvaises idées et ont interdit de telles activités avec le Traité d'interdiction des essais limités que les États-Unis ont ratifié le 5 août. 1963.

Satellites souples

Les ceintures de rayonnement de Van Allen remplissent une tâche cruciale consistant à balayer les particules chargées du soleil loin de la Terre pour créer un bouclier contre le rayonnement de particules chargées de l'orbite terrestre basse vers la surface (en dessous de 1 000 kilomètres d'altitude). Les satellites lancés plus haut que l'orbite terrestre basse sont confrontés à un environnement de rayonnement plus dur et sont durcis électroniquement pour résister au bombardement constant de particules chargées. Les unités électriques de base des satellites sont typiques de tous les appareils électroniques, tels que les résistances, les conducteurs, les diodes, les transformateurs et la mémoire. En général, ces composants électriques transfèrent de l'énergie, effectuent des opérations logiques et transmettent des informations à travers des parties du spectre électromagnétique tout en fonctionnant dans des conditions de vide proche avec un fond de rayonnement plus important que sur Terre.

Cependant, les satellites commerciaux en orbite terrestre basse tirent pleinement parti du rayonnement réduit des particules et peuvent incorporer des composants électroniques commerciaux standard dans leurs charges utiles. L'utilisation de ces composants réduit fortement les coûts. Le durcissement par rayonnement de l'électronique devient de plus en plus rentable et compact, mais cette pratique augmente historiquement le prix des composants par des facteurs d'environ 10 à 100 tout en augmentant potentiellement la taille et la masse de la charge utile totale.

Les satellites militaires sont nettement plus chers que les satellites commerciaux car ils sont normalement conçus pour un niveau de dureté électronique plus élevé, quelle que soit l'altitude orbitale qui augmente leur résilience aux périodes d'activité solaire intense. La tendance dans le développement de la charge utile spatiale pour l'orbite terrestre basse est de lancer de petits satellites, comme les CubeSats, qui utilisent une microélectronique de faible puissance qui ne fonctionne que pendant quelques mois à quelques années avant de se désorbiter et d'être remplacé par son successeur amélioré. Cette tendance ne signifie pas que les petits satellites doivent être considérés comme attritables. Il est très coûteux de transporter des satellites dans l'espace sur des fusées. Les CubeSats peuvent être abordables à fabriquer, mais leur lancement reste coûteux. Les temps de remplacement de la fabrication à l'orbite sont d'au moins plusieurs mois à plusieurs années, même pour les petits satellites plus proches de la Terre. Ainsi, les faibles coûts de fabrication des satellites se ne sont pas à l'abri de l'utilisation potentielle de la détonation nucléaire à haute altitude.

Le ministère de la Défense dépend fortement de l'espace pour transmettre des données dans le monde entier et utilise ces données pour organiser la planification de la guerre. Prenons la guerre actuelle entre la Russie et l'Ukraine comme exemple de l'importance de l'espace pour la planification de la guerre. Au début de l'invasion, les forces russes ont ciblé l'infrastructure Internet et de téléphonie mobile terrestre de l'Ukraine, réduisant considérablement la capacité de Kiev à maintenir un commandement et un contrôle efficaces sur les lignes de front ainsi qu'un relais d'informations de base vers la population. Fortuitement, le projet Starlink, une constellation en développement de petits satellites en orbite terrestre basse offrant un accès Internet à haut débit, avait la capacité de fournir une connectivité Internet à la majeure partie des forces ukrainiennes.

Il existe actuellement plus de 10 000 terminaux terrestres Starlink en Ukraine, fournissant Internet à plus de 150 000 personnes. Les forces armées ukrainiennes ont accès à un service Internet par satellite robuste qu'il est difficile pour la Russie de perturber, faute de cibler les satellites eux-mêmes. Ce cas récent montre comment les actifs spatiaux fournissent des produits d'information inestimables, quel que soit leur emplacement.

Nuke Space, Nuke l'économie

Pour cibler ces satellites, un adversaire doit disposer d'armes nucléaires et de missiles à longue portée. Cela réduit la liste des agresseurs potentiels, mais la liste comprend la Russie, la Chine et la Corée du Nord. Alors que l'utilisation d'armes nucléaires est croissante, une explosion dans l'espace aurait un impact économique dévastateur sur les États-Unis. Cela dégraderait également les actifs spatiaux que le ministère de la Défense utilise pour le commandement et le contrôle.

Une explosion nucléaire dans l'espace nuit de manière disproportionnée aux États-Unis en tant que plus grand investisseur unique dans les capacités spatiales. Les États-Unis tirent près de 200 milliards de dollars par an de production brute réelle de leurs actifs spatiaux. Même si les satellites militaires sont conçus pour résister à un environnement de particules chargées plus rude, le durcissement aux radiations n'est pas un manteau magique d'invincibilité. Les actifs spatiaux militaires seront dégradés au fil du temps à cause de la ceinture de rayonnement artificiellement amplifiée créée par la détonation nucléaire, tandis que les satellites commerciaux en orbite terrestre basse seront les premiers à tomber en panne en passant continuellement par ces points chauds de particules. La plupart des satellites avec une ligne de visée vers la détonation nucléaire seront détruits par les rayons X résultants. Les capacités spatiales militaires pour le commandement et le contrôle ainsi que les moyens de reconnaissance peuvent encore fonctionner pendant une période après la détonation, mais l'impact économique des produits spatiaux informationnels dégradés sera immédiat.

Nuking Satellites est une escalade, mais la réponse n'est pas simple

Cibler l'espace avec une arme thermonucléaire invite à des représailles importantes, mais pas nécessairement à une réponse nucléaire. Une fois qu'une nation adverse avec un désavantage dans les capacités spatiales fait exploser une arme nucléaire dans ce domaine, il n'y a aucun avantage à répondre par une attaque similaire. Cet acte dégraderait davantage les actifs spatiaux. L'utilisation d'une arme terrestre anti-satellite n'a pas le même effet. Il échange un missile contre un satellite, ce qui n'équivaut pas à la destruction d'une arme nucléaire.

La nation attaquée doit alors envisager de répondre avec des armes conventionnelles ou nucléaires sur Terre. Cibler des villes et des installations militaires avec des armes nucléaires n'est pas une réponse en nature à l'action initiale de l'espace nucléaire et représente une autre escalade significative du conflit. Les ressources spatiales ne sont pas à la hauteur des vies humaines. De plus, la nation attaquante aura également des armes nucléaires en réserve et, avec la bonne combinaison de forces, elle pourra tenir des cibles en danger. Par conséquent, la nation attaquée devrait peser l'escalade vers l'utilisation d'armes nucléaires, sachant qu'elle inviterait une réponse nucléaire sur des cibles dans la patrie. La réponse évidente est de signaler que l'utilisation d'armes nucléaires dans l'espace serait traitée comme une attaque nucléaire contre la Terre, mais une nation adverse pourrait considérer une telle menace comme non crédible.

Une nation peut également être dissuadée d'agir parce que chaque nation dans le monde dépend dans une certaine mesure des produits spatiaux. Par conséquent, utiliser une arme nucléaire dans l'espace serait de l'« automutilation ». Cependant, comme le révèle l'histoire de la guerre, les nations choisissent l'automutilation, comme lorsqu'elles effondrent leurs propres ponts et brûlent des champs, pour empêcher un envahisseur de gagner du terrain. Les armes nucléaires sont à l'apogée de l'escalade de la menace, de sorte que leur utilisation est un signe de désespoir face à la diminution des options alternatives.

Investir dans les technologies d'atténuation

L'atténuation actuelle des risques de la menace de détonations nucléaires à haute altitude se concentre de manière myope sur le durcissement aux rayonnements de l'électronique, ce qui est insuffisant, et prétend simplement que la probabilité d'une attaque est proche de zéro. Le ministère de la Défense devrait redoubler d'efforts pour contrer la menace des explosions nucléaires à haute altitude et reconnaître que la commercialisation en cours de l'espace conduira à une dépendance encore plus grande des plates-formes en orbite terrestre basse qui resteront vulnérables aux émissions de particules chargées des explosions nucléaires.

La ligne d'utilité entre les charges utiles spatiales militaires et commerciales continuera de s'estomper. Le durcissement par rayonnement de toutes les charges utiles ne sera économiquement réalisable que si les pratiques de durcissement deviennent omniprésentes dans les composants commerciaux. La reconnaissance de cette menace n'est pas nouvelle et ne devrait pas surprendre. La Defense Threat Reduction Agency a mené une étude détaillée sur ce sujet qui reste valable aujourd'hui. Cependant, le pot-pourri de programmes techniques conçus pour atténuer la menace que les explosions nucléaires à haute altitude font peser sur les actifs spatiaux n'a pas été correctement financé. Le ministère de la Défense devrait lancer un portefeuille de recherche et développement concerté pour atténuer cette menace en s'assurant que le plus grand nombre d'actifs spatiaux, commerciaux et militaires, survivent à une explosion nucléaire à haute altitude plutôt que de se concentrer uniquement sur quelques actifs militaires renforcés. En supposant qu'un adversaire puisse lancer une arme nucléaire dans l'espace sans être contesté, les domaines d'intervention non provocateurs suivants peuvent s'avérer utiles pour répartir les efforts de recherche.

Tout d'abord, développer des capteurs de rayonnement qui fournissent une évaluation rapide de l'environnement spatial après la détonation pour cartographier les bandes de rayonnement dommageable dues aux particules chargées piégées dans les ceintures de Van Allen. Des composants commerciaux pour les applications spatiales permettant de caractériser les électrons à haute énergie, les rayons X et la dose totale sont déjà disponibles à l'achat.

Deuxièmement, étudier et concevoir un système pour relayer les informations d'un satellite à l'autre sur l'environnement de rayonnement dangereux afin que les satellites individuels puissent tenter des manœuvres d'évitement (changement d'orbite) ou simplement passer en mode basse consommation pour une partie de leurs orbites afin d'améliorer la capacité de survie.

Troisièmement, des systèmes satellites avancés spécialement conçus pour éliminer les particules chargées en excès des ceintures de Van Allen en détournant les particules vers l'atmosphère. De tels systèmes sont encore exploratoires mais utilisent des ondes radio à basse fréquence pour éloigner les particules chargées de la ligne de champ magnétique. En désactivant régulièrement les orbites amplifiées au fil du temps, cette action empêche des dommages prolongés aux satellites, comme l'exemple de Telstar, en réduisant la dose totale de rayonnement.

Enfin, le ministère de la Défense devrait poursuivre ses efforts de recherche sur le durcissement aux rayonnements, mais en mettant l'accent sur l'avancement de composants commerciaux durcis économiquement réalisables et les remplacements omniprésents de l'électronique standard conçue pour les faibles niveaux de rayonnement trouvés à la surface de la Terre.

Les deux organisations de recherche et développement les mieux placées pour défendre ces efforts d'orchestration sont la Defense Threat Reduction Agency et le Air Force Research Laboratory en raison de leurs actions existantes dans la lutte contre les armes de destruction massive et l'avancement des systèmes spatiaux, respectivement. Cependant, la mission de contrer les détonations nucléaires à haute altitude chevauche les deux zones de poussée de sorte que chacune pourrait se tourner vers l'autre pour prendre la tête. Plusieurs autres organisations sont également capables de diriger ces efforts de développement, notamment la National Nuclear Security Administration et la Defense Advanced Research Projects Agency. La première étape pour contrer cette menace consiste simplement à confier à une organisation du ministère de la Défense la direction et le lancement de la première phase du programme, de la planification, du budget et du processus d'exécution.

La possibilité que des armes nucléaires à haute altitude ciblent des actifs spatiaux n'est pas une nouvelle menace, mais une menace historiquement écartée. La nature de l'orbite autour de la Terre signifie que les actifs spatiaux sont périodiquement exposés selon des schémas hautement prévisibles. En fait, livrer une arme nucléaire en orbite terrestre basse est un défi d'ingénierie plus facile pour une nation comme la Corée du Nord que de viser la zone continentale des États-Unis, car l'ogive du missile doit survivre à la traînée et à la chaleur de la rentrée atmosphérique. Les ressources spatiales ne sont pas seulement des cibles tentantes, mais deviennent plus provocantes à chaque opération militaire soutenue. Par conséquent, le ministère de la Défense doit élaborer un plan de recherche et développement cohérent avec un responsable dédié pour défendre la mission de lutte contre les explosions nucléaires à haute altitude.

Le lieutenant-colonel "Tony" Vincent est un scientifique en service actif dans l'armée de l'air des États-Unis et est actuellement directeur des cours de physique avancée à l'Air Force Academy. Il est titulaire d'un doctorat en physique atmosphérique de l'Université d'Oxford, d'une maîtrise en art et sciences militaires de l'Air Command and Staff College et d'une maîtrise en physique appliquée de l'Air Force Institute of Technology. Le lieutenant-colonel Vincent était également responsable du programme des menaces nucléaires à la Defense Threat Reduction Agency et responsable de l'optique de la troisième équipe de déploiement avec le projet AngelFire dans le cadre de l'opération Iraqi Freedom. Les opinions ici sont celles de l'auteur et ne représentent pas celles de l'US Air Force, du Département américain de la Défense ou de toute partie du gouvernement américain.

Image : Archives des armes nucléaires