Analyse économique de l'exploitation de l'orbite terrestre

Economic analysis of earth orbital exploitation

• Auteur / Autrice : Julien Guyot
• Direction : Sébastien Rouillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences économiques
• Date : Soutenance le 24/06/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Entreprise, économie, société
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Bordeaux sciences économiques
• Jury : Président / Présidente : Victor Dos Santos Paulino
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuelle Augeraud-Veron, Sylvie Ferrari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Leandri, José Luis Torres Chacón

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terre -- Orbite

Espace (économie politique)

Mots clés libres

Economie spatiale

Environnement

Soutenabilité

Pollution

Satellites

Constellations

Biens communs

Space economics

Environment

Sustainability

Pollution

Satellites

Constellations

Common goods

Résumé

Avec l'avènement de la nouvelle ère spatiale, le nombre de lancements annuels de satellites a fortement augmenté, exacerbant ainsi la problématique des débris spatiaux. D'un côté, les services rendus par les satellites viennent structurer bon nombre d'applications nécessaires à notre économie moderne. De l'autre, l'orbite terrestre, toujours plus exploitée, voit son stock de débris croître, menaçant ainsi de collisions un nombre toujours plus grand de satellites ; qui augmenteraient à leur tour ce nuage de pollution matériel. À plus long terme, ces débris pourraient faire peser un tel coût sur le secteur spatial que l'économie mondiale pourrait en être significativement affectée. Plus largement, la question de la soutenabilité de l'industrie spatiale et de l'accès à l'espace représente un enjeu de recherche majeur de ce siècle. Cette thèse a pour objectif d'étudier l'exploitation de l'orbite terrestre et d'identifier les outils économiques qui permettraient d'en faire un usage optimal.Cette thèse s'appuie sur trois travaux. Les deux premiers présentent un modèle analytique simplifié de l'exploitation de l'orbite terrestre basse à long terme en s'appuyant sur l'article de Rouillon (2020). Dans le modèle du premier papier est introduit une variable de conception se matérialisant par la durabilité d'un satellite, ainsi que la possibilité de nettoyer chaque année l'orbite d'une part de ses débris. Le deuxième travail s'intéresse à l'impact du choix de l'altitude à laquelle les opérateurs choisiront d'opérer leurs satellites. Ce choix a deux impact majeur. D'abord, plus un satellite est lancé haut, plus les débris pouvant résulter de son opération pourront rester longtemps en orbite. Ensuite, la verticalité de l'orbite, c'est-à-dire le fait que des objets envoyés plus hauts peuvent menacer ceux se trouvant plus bas, vient elle-même peser sur la gestion de cet espace et sur les instruments incitatifs à utiliser. Enfin, un dernier travail se concentre plus spécifiquement sur les nouvelles grandes constellations et à la manière dont une concurrence imparfaite impacte l'utilisation de l'orbite. Les interactions stratégiques entre ces grands opérateurs sont ainsi analysées.Les principaux résultats de ces recherches sont les suivants. Le premier étant que, en l'absence de régulation, la mise en œuvre de technologies de mitigation (blindage, retraits de débris, etc.) entraîneront un effet rebond. La mise en place de contraintes ou d'incitations pesant sur le secteur spatial sont donc nécessaires de manière à exploiter efficacement l'orbite terrestre. Un second résultat est que, pour obtenir une efficacité optimale, les obligations et incitations ne devraient pas peser que sur le nombre de lancements, mais aussi sur la conception des satellites et sur le financement des retraits de débris. De plus, l'altitude à laquelle opère un satellite pèse sur les risques de collisions qu'il engendrera. En conséquence, le troisième résultat est que les instruments économiques employés devront eux aussi varier avec ce choix fait par son opérateur. Les résultats précédents portent sur une situation de concurrence parfaite, où les opérateurs de satellites n'ont pas de pouvoir de marché. La problématique est encore différente dans des marchés faiblement concurrentiels, tels que celui des nouvelles grandes constellations de satellites, dont l'objectif est de potentiellement couvrir la planète entière de manière à rendre accessible internet même dans les zones les plus reculées. Dans ce cas, il est en effet attendu qu'un faible nombre d'acteurs assurent l'offre de ce type de service. Ainsi, le quatrième et dernier grand résultat est qu'une concurrence duopolistique non régulée est moins efficace qu'un service public mondial ne le serait, et il est montré à quel point les dommages environnementaux peuvent aggraver le différentiel entre ces deux situations.

With the advent of the new space age, the number of annual satellite launches has risen sharply, exacerbating the problem of space debris. On the one hand, the services provided by satellites are at the root of many of the applications required by our modern economy. On the other hand, the Earth orbit is increasingly used, and its stock of debris is growing, threatening an ever-increasing number of satellites with collisions, which would in turn increase this cloud of material pollution. In the longer term, this debris could become so costly to the space sector that the world economy could be significantly affected. More broadly, both the questions of the sustainability of the space industry and the future of the access to space represent a major research challenge of this century. The aim of this thesis is to study the management of the Earth's orbit and to identify the economic tools that would enable its optimal use.This thesis is based on three works. The first two present a simplified analytical model of the long-term exploitation of low-Earth orbit based on Rouillon's paper (2020). The first work introduces a design variable in the form of a satellite's durability, as well as the possibility of cleaning the orbit of some of its debris each year. The second work examines the impact of the altitude at which operators choose to operate their satellites. This choice has two major impacts. Firstly, the higher a satellite is launched, the longer any debris resulting from its operation can remain in orbit. Secondly, the verticality of the orbit, i.e. the fact that objects sent higher can threaten those lower down, also influences the management of this space and the incentive instruments to be used. Finally, the last work focuses more specifically on the new large constellations and how imperfect competition impacts orbit utilisation.This research has led to several key findings. The first is that, in the absence of regulation, the implementation of mitigation technologies (shielding, debris removal, etc.) will cause a rebound effect. The introduction of constraints or incentives on the space sector is therefore necessary if Earth orbit is to be exploited efficiently. A second result is that, for optimum efficiency, obligations and incentives should not only weigh on the number of launches, but also on satellite design and the financing of debris removal. Furthermore, the altitude at which a satellite operates has an effect on the risk of collisions it generates. Consequently, the third result is that the economic instruments employed will also have to vary with the altitude chosen by the operator. The preceding results apply to a situation of perfect competition, where satellite operators have no market power. The problem is even different in markets with little competition, such as the new large satellite constellations, whose aim is to potentially cover the entire planet, making the Internet accessible even in the most remote areas. In this case, a small number of players are expected to provide this type of service. The fourth and final major result is that unregulated duopolistic competition is less efficient than a global public service. It is also demonstrated that the magnitude of the environmental damages resulting from the launch of a satellite increase the gap between those two situations.