Impact sur l’astronomie

Le lancement de milliers de satellites en orbite basse change fondamentalement l’accès de l’être humain au ciel nocturne. Ses effets se font déjà ressentir pour l’astronomie au sol dans un ensemble de domaines.

Pour l’astronomie optique (incluant l’infrarouge proche et moyen), le problème principal est celui de la réflexion du flux solaire par les satellites défilant dans le champ de vision des télescopes avec des effets marqués au lever et au coucher du Soleil avec des effets marqués sur la prise d’images par les instruments à grand champ de vue. S’il y a une bonne coopération avec Starlink pour la réduction de la lumière solaire réfléchie par les satellites, le futur est loin d’être sous contrôle avec la multiplication des interlocuteurs et des constellations stratégiques et commerciales.

Pour la radioastronomie, la perspective d’une perturbation permanente venant par le haut est préoccupante. La politique de sanctuaire radio local (qui consiste à ne pas émettre dans les régions qui hébergent les grands observatoires radio) acceptée par Starlink atténue les problèmes pour les fréquences adjacentes à celles des émissions des satellites. Mais les électroniques des satellites rayonnent aussi à basse fréquence et constituent une source de bruit pour les observations radio dans une autre gamme de fréquences même si les émissions de signaux de télécommunication des satellites sont momentanément interrompues. À cela s’ajoute des besoins de protection des observations en mode interférométrique qui impliquent des installations réparties sur plusieurs continents et nécessitent des actions coordonnées spécifiques.

Les conséquences négatives pour l’astronomie d’une multiplication incontrôlée de ces constellations doivent impérativement être prises en compte et des mesures pour pallier ces problèmes doivent être mises en œuvre par leurs promoteurs.

Impact sur l’environnement

Dans un contexte de multiplication des lancements, il est important d’examiner la question de l’impact des émissions sur la haute atmosphère. Ces émissions dépendent du type de motorisation, de la masse au décollage et du nombre de lancements. C’est le lanceur Falcon de SpaceX qui réalise actuellement le plus grand nombre de lancements, plus d’une centaine en 2023.

Les émissions correspondantes de 140 kilotonnes de carbone, de vapeur d’eau, d’hydrocarbures imbrûlés et de particules de suies sont en valeur absolue relativement faibles si on les compare à celles issues des transports mais elles sont cependant non-négligeables car ces émissions vont s’accumuler dans la haute atmosphère. C’est le cas notamment des particules de carbone, désignées sous le nom de “black carbon » (BC), qui sont nettement plus nombreuses par unité de masse de kérosène, dans les gaz éjectés par les moteurs du lanceur, et nettement plus importante que celles qui existent dans les jets des moteurs d’avion (le rapport serait de l’ordre de 10⁴). Comme une partie de ces émissions est faite au-dessus de la tropopause, les aérosols formés par les particules BC peuvent s’accumuler pendant plusieurs années, interagir avec la couche d’ozone, modifier le bilan radiatif et changer la distribution de température. Il y a des incertitudes sur ces effets, car les niveaux d’émissions sont faibles, mais la question de l’impact sur la haute atmosphère mérite d’être approfondie. L’impact sur l’environnement des fins de vie opérationnelle des satellites est lui aussi à prendre en compte même si la masse associée au retour sur Terre de 2400 objets, d’une masse totale de 340 tonnes, reste finalement modérée par rapport aux 15 à 20000 tonnes de météorites qui pénètrent chaque année dans l’atmosphère terrestre.

Un problème majeur est celui des débris spatiaux. Il y aurait déjà en orbite un demi-million à un million de débris de 1 à 10 cm et cent à cent trente millions de taille entre 1 mm et 1 cm selon l’ESA et la NASA. Sur les 14 000 satellites en orbite, environ 35% ont été lancés au cours de ces trois dernières années et 100 000 autres sont prévus dans la décennie à venir, toujours selon l’ONU. Ces données communiquées – récemment par l’AFP montrent la nécessité de la mise en place d’une régulation contraignante sur le contrôle des fins de vie opérationnelle des satellites.

Nécessité d’un renforcement de la régulation internationale

L’analyse des impacts négatifs fait apparaître un besoin de régulation internationale d’un domaine qui pour le moment se développe en l’absence de toute contrainte (si ce n’est celle du coût des lancements) et elle souligne la nécessité d’initiatives et d’actions engagées par les parties prenantes pour identifier des principes et des codes de bonnes pratiques qui puissent être adoptés par un nombre croissant de pays. Une autre question importante est celle des solutions techniques permettant de prendre en compte ces impacts négatifs et de se prémunir des scénarios les plus inquiétants. Les règles internationales se construisent par l’identification de principes et de codes de bonne pratique adoptés par un nombre croissant de pays. Plusieurs exemples d’efforts de ce type sont décrits dans le rapport. Il est essentiel que les États et les communautés scientifiques concernées contribuent à la formalisation de ces principes et codes dans le but d’obtenir rapidement une régulation internationale du secteur.

Constat d’ensemble et perspectives

Les constellations de satellites ouvrent des perspectives intéressantes, elles offrent des possibilités nouvelles pour les communications, l’observation de la Terre, la géolocalisation et la connectivité et cela, avec des capacités de résilience supérieures à celles des infrastructures terrestres. Sans pouvoir remplacer les réseaux actuels pour l’accès à internet, elles peuvent compléter ces réseaux et assurer une couverture des zones blanches dans lesquelles cet accès n’est pas disponible ou encore permettre des connexions lorsque ces infrastructures sont détruites à la suite de catastrophes naturelles ou de conflits armés. Les constellations de satellites font aussi apparaître des enjeux de souveraineté résultant de la dépendance et de la perte de contrôle induite par la prééminence de certains acteurs privés. L’expansion du nombre et de la taille des constellations pose aussi des questions majeures en matière d’impact sur l’environnement spatial par la densification en satellites et en débris, sur l’environnement atmosphérique par l’augmentation du nombre de lancements et par les retours sur Terre des satellites en fin de vie opérationnelle. Dans un contexte de croissance incontrôlée qui prévaut actuellement, l’augmentation du nombre d’objets en orbite fait que les manœuvres d’évitement deviennent de plus en plus fréquentes et elle conduit à une multiplication du nombre de collisions. L’impact des constellations sur l’astronomie est également préoccupant car il touche à la fois les observations optiques et infrarouges et celles qui sont réalisées dans le domaine radioélectrique. L’analyse des impacts négatifs fait apparaître un besoin de régulation internationale d’un domaine qui pour le moment évolue en l’absence de toute contrainte (si ce n’est celle du coût des lancements) et elle souligne la nécessité d’initiatives et d’actions engagées par les parties prenantes pour identifier des principes et des codes de bonnes pratiques qui puissent être adoptés par un nombre croissant de pays.

François Baccelli, Inria et Télécom-Paris, membre de l’Académie des sciences et Sébastien Candel, Centrale Supélec, membre de l’Académie des sciences

Introduction

Cet article rassemble quelques points clés d’un rapport de l’Académie de sciences. Il traite d’abord des nouvelles fonctionnalités des constellations de satellites dans l’accès à l’Internet, l’observation de la Terre, la géolocalisation, l’interaction avec des objets connectés. Les principaux enjeux et l’évolution du domaine sont analysés dans un premier temps. Comme toute nouvelle avancée technologique, ces constellations soulèvent aussi, de nombreuses questions, et notamment celles relatives à l’encombrement de l’espace, avec l’augmentation du nombre d’objets satellisés et de débris issus de ces objets et de leur lancement, la croissance des collisions qui peut en résulter et d’autre part de l’impact sur les observations astronomiques dans les domaines optiques et radio. Ce rapport met ainsi en évidence un défi majeur, celui de la cohabitation d’une ceinture satellitaire sécurisée et durable évitant la pollution par ses débris et de l’accès au ciel de l’astronomie, la plus ancienne des sciences, celle qui a été à la source des connaissances et qui a encore beaucoup à nous apprendre. Avec la montée en puissance d’acteurs et investisseurs privés dans un domaine qui était initialement réservé aux États, ce rapport fait apparaître des enjeux géostratégiques et des enjeux de souveraineté. Il soutient la mise en place d’une régulation internationale du secteur mais souligne également la nécessité d’une participation de la France et de l’Europe à ces développements.

Les fonctionnalités des constellations

Les nouvelles constellations de satellites en orbite basse ou moyenne ouvrent des perspectives dans trois grands domaines qui sont les communications haut-débit, l’observation de la Terre et la géolocalisation. Les constellations offrant le haut-débit sont encore peu nombreuses mais elles impliquent, pour certaines, un très grand nombre de satellites. Les constellations destinées à l’observation de la Terre ou à la géolocalisation comportent un nombre plus réduit de satellites mais sont bien plus nombreuses. Il est à remarquer, cependant, qu’en ce qui concerne l’accès haut-débit à l’Internet, les réseaux à base de constellations ne pourront remplacer les réseaux terrestres mais qu’ils devraient plutôt offrir un complément notamment pour la couverture des zones blanches et des territoires enclavés ou encore pour la couverture haut-débit des navires et des avions.

Des protocoles pour les communications entre satellites en orbites basses sont en cours de normalisation. Ceci pourrait conduire à terme à un cœur de réseau Internet spatial avec des fonctionnalités et des mécanismes de routage propres à la dynamique des constellations. Certaines fonctions qui sont actuellement celles des routeurs Internet et des stations de base de la 5G pourraient à terme devenir des fonctions embarquées dans les satellites de cet Internet spatial, comme par exemple le traitement du signal, le routage ou même le calcul en périphérie de réseaux (edge computing). Cet Internet spatial a cependant des limites associées à la puissance électrique disponible à bord des satellites, qui est elle-même fonction de la surface des panneaux solaires qui peuvent être embarqués sur lanceurs et déployés dans l’espace.

Enjeux

Une question clé, dans le domaine des télécommunications, est celle du contrôle de ces nouvelles classes de réseaux. On note par exemple que les réseaux de communications fondés sur des flottes de satellites, s’affranchissent de fait, sinon de droit, de toutes les règles qui sont imposées par les États aux opérateurs des réseaux terrestres offrant des services sur leur sol. Cette perte de contrôle concerne tous les aspects les plus fondamentaux : les mécanismes d’attribution des fréquences, les règles de confidentialité sur les conversations ou les données transmises, les règles de localisation des cœurs de réseaux, etc. Dès aujourd’hui, ces réseaux peuvent se passer complètement de stations d’ancrage dans les pays qu’ils couvrent. Le déploiement de ces réseaux dans leurs formes actuelles (typiquement celle de la constellation Starlink) induit une perte de souveraineté directe des États sur ce secteur.

Une seconde question a trait au modèle économique des grandes constellations destinées à la couverture internet haut-débit. On sait, en effet, que les entreprises qui se sont engagées dans la mise en place des premières constellations de ce type ont toutes fait faillite et il n’est pas certain que les constellations déployées aujourd’hui puissent atteindre l’équilibre économique et devenir viables à long terme. La réponse à cette seconde question dépendra sans doute des résultats de la course actuelle à l’occupation de l’espace ainsi que de la nature des interactions et accords entre ces réseaux satellitaires et les réseaux terrestres de type 5G. Elle dépendra aussi de l’évolution de la taille et du prix des antennes permettant à un utilisateur final muni d’un téléphone portable de communiquer efficacement avec un satellite.

Les enjeux en termes de souveraineté apparaissent ainsi comme les raisons les plus fortes pour le développement de ces constellations car ces dernières procurent à ceux qui les contrôlent un moyen de communication haut-débit sécurisé à faible latence qui est aussi caractérisé par sa résilience. Cette résilience vient du fait que les flottes de satellites restent en grande partie fonctionnelles en cas de catastrophe naturelle et de destruction des réseaux terrestres. Elles sont par ailleurs difficiles à détruire puisque constituées de nombreuses plateformes en mouvement rapide dans des flottes organisées de façon fortement redondante. La latence faible des constellations en orbite basse joue un rôle central dans le contexte du temps réel critique car leur couverture universelle permet l’observation instantanée d’événements survenant en tout point de la planète et elle offre de nouveaux moyens d’interaction.

Évolution du domaine

Le domaine dans son ensemble est dans une phase très dynamique avec beaucoup d’innovations dans le domaine industriel, une expansion rapide du NewSpace aux États-Unis, une volonté au niveau de la Commission Européenne de lancer une constellation, l’émergence de nouveaux États spatiaux et d’acteurs privés, de nouveaux formats de lanceurs (petits lanceurs, lanceurs réutilisables), une réduction des coûts de lancement associée notamment à la réutilisation. Il en résulte une multiplication des projets de constellations et une explosion du nombre des satellites en orbite basse ou moyenne.

Cette dynamique repose sur des progrès scientifiques et des innovations technologiques dans le domaine des télécommunications, de l’informatique du traitement de l’information, de la focalisation dynamique, de l’électromagnétisme et des communications radio, des systèmes de communication optiques inter-satellites, de la miniaturisation de l’électronique embarquée, des systèmes de propulsion à bord des satellites (propulsion plasmique) ainsi que sur des avancées dans l’accès à l’espace, les télécommunications et l’informatique. Cette dynamique exploite les résultats des recherches dans le domaine des communications portant notamment sur (i) la théorie de l’information multi-utilisateurs, sur le codage pour la maîtrise de liens radio avec les satellites, avec des questions nouvelles comme par exemple celle de la focalisation adaptative des antennes (MIMO massif et dynamique) ou encore celle du contrôle des interférences ; (ii) la définition de nouveaux protocoles de routage adaptés à la dynamique très rapide du graphe des satellites et des stations d’ancrages ; (iii) l’identification d’architectures optimales pour les fonctionnalités de haut débit ou d’observation dans un ensemble de régions donné de la Terre.

François Baccelli, Inria et Télécom-Paris, membre de l’Académie des sciences et Sébastien Candel, Centrale Supélec, membre de l’Académie des sciences

Le titre de l’ouvrage de Marion Carré, un brin provocateur : « Qui a voulu effacer Alice Recoque ?», pourrait laisser penser qu’Alice Recoque est un de ces avatars informatiques issu des jeux vidéo. Mais c’est bien une femme en chair et en os qu’elle nous présente.

Ce titre est celui du premier chapitre, introductif, durant lequel l’autrice nous décrit les complications rencontrées pour que Alice Recoque puisse avoir sa page dans Wikipédia. Ou la double peine de l’effet Matilda : la minimalisation du rôle des femmes dans la recherche a pour conséquence qu’elles sont autrices de peu d’articles scientifiques, c’est pourquoi elles ne sont donc pas jugées dignes d’un article dans Wikipédia.

Les chapitres suivants décrivent la vie et la carrière d’Alice Recoque, contextualisées dans l’histoire quotidienne ou professionnelle de son époque. Ils s’appuient sur un témoignage de première main : les mémoires de Mme Recoque. Son enfance en Algérie, ses études à l’ENSPCI, à Paris, sont l’occasion de parler du contexte international et de la guerre qui ont imprégné l’enfance et l’adolescence de la jeune Alice, de l’ambiance familiale qui a forgé certains traits de son caractère, de sa capacité à sortir des chemins convenus grâce à certaines figures inspirantes de son entourage.

Ces premiers chapitres expliquent les suivants, consacrés plutôt à son expérience professionnelle. La SEA (Société d’Électronique et d’Automatisme) d’abord, jeune pousse créée par un ingénieur clairvoyant, François-Henri Raymond, qui a très tôt compris l’avenir de l’informatique. Elle s’y épanouit et développe ses connaissances en conception d’ordinateur, en hardware. Puis la CII, dans laquelle doit se fondre la SEA sous l’injonction du Plan Calcul, qui devient CII-Honeywell Bull, puis Bull. Elle prend peu à peu des galons pour gérer finalement une équipe qui va construire le mini-ordinateur qu’elle a en tête, le Mitra 15. Enfin, c’est la découverte de l’Intelligence Artificielle, lors d’un voyage au Japon, domaine dans lequel Bull acceptera de s’engager, opportunité pour Alice Recoque de passer du matériel au logiciel.

En parallèle de la vie d’Alice Recoque, nous suivons le développement de l’industrie informatique en France. Nous assistons à ses débuts où il y avait tout à faire : le processeur à concevoir, les techniques de mémorisation à imaginer. L’ouvrage décrit l’effervescence d’une jeune entreprise, poussée par cette nouveauté, par l’exaltation de la découverte, par les visions de son fondateur mais aussi par les risques et les difficultés qu’elle rencontre pour survivre. Avec l’évolution de la carrière d’Alice Recoque, nous suivons les hauts et les bas de cette industrie, à travers l’entreprise Bull. Mais l’ouvrage dresse également, et surtout, le portrait d’une femme de sciences et de techniques, qui s’engage dans un univers d’homme. Il nous décrit ses questionnements, ses choix, les heurs et malheurs d’une vie. Cet angle du livre créé une empathie avec Mme Recoque, ouvrant un dialogue entre son époque et la nôtre. C’est donc un voyage dans le contexte social, économique, technique et informatique de l’époque qu’il nous propose.

Certains diront que ce n’est pas un ouvrage d’historien. Et il est vrai qu’en suivant la vie d’Alice Recoque, nous manquons parfois un peu de recul. Certains points pourraient demander des approfondissements, comme le rôle de la politique sociale et l’organisation d’une entreprise dans les possibilités de carrière des femmes. De même, on peut s’interroger sur la part et le rôle de l’état dans le succès du Mitra 15, sans remettre en question la qualité du travail d’Alice Recoque. Mais Marion Carré ne revendique pas un rôle d’historienne. Elle préfère parler d’ « investigations » et son ouvrage est effectivement le résultat d’un long travail d’enquête, de la recherche de ses sources à l’analyse qu’elle en fait, qui offre de nombreuses perspectives à des travaux scientifiques.

Photo Aconit

Marion Carré a su faire un beau portrait de femme dans un ouvrage facile à lire, qui ne s’aventure pas dans les descriptions techniques ardues pouvant rebuter certains ou certaines et qui ne se perd pas non plus dans les méandres d’une vie familiale et personnelle. Il est l’un des rares livres consacré à une femme informaticienne française, à une femme de science contemporaine qui a su se donner un rôle dans l’émergence de l’industrie de l’informatique en France. Grâce aux rencontres provoquées, aux sources retrouvées, Alice Recoque est enfin sortie de l’ombre. Espérons que d’autres portraits d’informaticiennes verront bientôt le jour, comme celui de Marion Créhange, première femme à soutenir une thèse en informatique en France (1961), qui nous avait régalé, sur le site d’Interstices, d’une randonnée informatique quelques mois avant son décès. Ces portraits contribueraient sans aucun doute à ce que de jeunes femmes puissent se rêver, à leurs tours, informaticiennes.

Isabelle Astic, Musée des Arts et Métiers (Paris)

Il existe des effets négatifs du numérique sur notre vie et notre santé ainsi que celles de nos enfants [0], tout particulièrement lors d’un mésusage . Les scientifiques en informatique en sont conscient·e·s et font partie de celles et ceux qui alertent sur le sujet [0], et relaient les travaux  scientifiques d’autres disciplines qui permettent de comprendre le caractère négatif potentiel de ces effets et de les dépasser [9]. On parle ici de résultats scientifiques [9,11] au delà de l’emballement des médias alimenté par les promoteurs des “paniques morales” ([9], pp 4).

L’angle d’attaque de telles paniques est souvent résumé par le seul terme “écran”,  la plupart du temps associé au mot “enfant”, faisant ainsi un amalgame entre contenant et contenu, entre adultes et société. Il en ressort généralement des questions mal posées qui ne peuvent conduire qu’à des polémiques faisant peu avancer le débat. Par ailleurs, la question des impacts de la technologie sur le développement de l’enfant est fondamentale et le numérique n’y échappe pas.

Abordons ici la question des contenus. Les études scientifiques sur l’impact des “contenus numériques disponibles à travers différentes interfaces matérielles” qu’on réduit souvent au seul “écran” alors qu’on pourrait par exemple y inclure aussi des systèmes robotisés. Mais concentrons nous ici sur les interfaces que l’on nommera par abus de langage, pour la facilité d’écriture, encore “écran”. Les résultats sont difficiles à interpréter car il manque un cadre de comparaison formel par exemple pour établir et mesurer la dépendance [1].  On note par ailleurs que les effets négatifs des écrans sont plus importants dans les populations moins favorisées [4]. À l’inverse, les effets cognitifs des écrans peuvent être positifs [4,5,6] mais pas en cas d’usage avant le sommeil, qu’ils perturbent [3].

On doit donc avant tout considérer les usages qui en sont faits et arrêter de considérer le paramètre de durée (temps devant les écrans) qui occulte d’autres éléments au moins aussi importants [1,3] comme illustrés ci-après.

Les études les plus fines distinguent les usages, en particulier passif (comme la télévision) versus actif, autrement dit isolé (on « colle » l’enfant devant les écrans) opposé à  coopératif. 

C’est l’usage de ces écrans pour « occuper » les enfants pendant que les adultes vaquent à leurs autres tâches qui présente un effet délétère [2].

Au delà, une plus grande quantité d’utilisation de l’écran (c’est-à-dire des heures par jour/semaine) est associée négativement au développement du langage de l’enfant, tandis qu’une meilleure qualité d’utilisation de l’écran (c’est-à-dire des programmes éducatifs et un visionnage conjoint avec les adultes éduquant) est positivement associée aux compétences linguistiques de l’enfant [3]. 

Comparons « screen-time » versus « green-time » [4], c’est à dire le temps passé dans l’environnement extérieur (ex: forêt, parc public). On observe là encore qu’il faut distinguer l’usage modéré avec des contenus choisis et un accompagnement éducatif qui a des effets positifs, de l’inverse qui peut avoir un effet négatif, voire très négatif. Le « green-time » limite les effets cognitifs négatifs des écrans, au delà de l’effet bien connu de l’hyper sédentarité qui conduit à des troubles physiologiques dérivés [6].

C’est donc, au niveau cognitif et éducatif essentiellement un enjeu de contenu numérique. Ainsi,  la lecture sur écran est moins efficace que sur un livre papier, sauf si le contenu est « augmenté » (accès à un lexique, récit interactif, …) [5], en notant que  la lecture en interaction avec une personne éducative référente augmente les performances dans les deux cas.

On insistera finalement sur ce que la communauté de l’éducation à l’informatique sait depuis longtemps :

  –comprendre comment fonctionnent les ordinateurs conduit à un bien meilleur usage récréatif et éducatif, et aussi souvent moins dépendant [7] ;

  – pour apprendre les concepts informatiques, les « activités débranchées » où on « éteint son écran pour aller jouer au robot dans la cour »  sont les plus efficaces au niveau didactique et pédagogique [8].

Pour moins utiliser les écrans, le plus important est de commencer à les utiliser mieux.

Gérard Giraudon et Thierry Viéville.

Références :

[0] https://www.lemonde.fr/blog/binaire/2023/10/06/ntic-etat-des-lieux-en-france-et-consequences-sur-la-sante-physique-partie-1/
[1] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0190740922000093
[2] https://www.pafmj.org/index.php/PAFMJ/article/view/6648
[3] https://jamanetwork.com/journals/jamapediatrics/article-abstract/2762864 
[4] https ://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0237725
[5] https://journals.sagepub.com/doi/full/10.3102/0034654321998074 
[6] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0765159711001043 
[7] https://inria.hal.science/hal-03051329
[8] https://inria.hal.science/hal-02281037 
[9] https://www.cairn.info/les-enfants-et-les-ecrans–9782725643816-page-150.htm
[10] https://naitreetgrandir.com/fr/etape/1_3_ans/jeux/usage-ecrans-parents-equilibre
[11] https://www.u-bordeaux.fr/actualites/Addiction-aux-écrans-mythe-ou-réalité

Gauthier Roussilhe est doctorant au RMIT. Il étudie la façon dont nos pratiques numériques se modifient dans le cadre de la crise environnementale planétaire en proposant une vision systémique, de l’extraction des matières à la fin de vie, et des infrastructures à l’usage des services numériques.  Antoine Rousseau & Ikram Chraibi Kaadoud 

On pourrait penser que les conséquences environnementales de la numérisation est un sujet récent , or cela fait bientôt 30 ans qu’on se demande quel est son poids environnemental et si numériser aide à la transition écologique. En 1996, l’Information Society Forum fait le constat suivant : « La plupart des experts ne pensent pas que le développement durable soit réalisable sans les technologies de l’information, mais ils ne sont pas non plus sûrs qu’il soit garanti avec elles. […] Il existe un risque d’effet « rebond » par lequel ils pourraient stimuler de nouvelles demandes de consommation matérielle » (ISF, 1996, 30). 26 ans plus tard, en 2022, le 3e groupe de GIEC proposait une synthèse peu encourageante : « Pour le moment, la compréhension des impacts directs et indirects de la numérisation sur la consommation d’énergie, les émissions de carbone et le potentiel d’atténuation est limité » (IPCC, 2022, 132). Est-ce que cela veut dire pour autant que nous n’avons pas progressé sur le sujet depuis 30 ans ? Loin de là, revenons ensemble sur l’état de l’art de la recherche scientifique sur les deux questions principales de ce champ : l’empreinte environnementale du secteur et les effets environnementaux de la numérisation dans les autres secteurs.

L’empreinte carbone du secteur numérique
La production des savoirs scientifiques dans ce domaine s’est concentrée principalement sur l’empreinte environnementale du secteur numérique, c’est-à-dire le poids écologique lié à la fabrication, l’usage et la fin de vie de tous les équipements et services qui composent ce secteur. Il y a assez peu d’articles de recherche qui se sont aventurés dans l’estimation mondiale du secteur. Ces dernières il y a trois estimations concurrentes (Andrae & Edler, 2015 (remplacé par Andrae 2020) ; Malmodin & Lundén, 2018 ; Belkhir & Elmeligi, 2018). Freitag et al ont proposé une analyse de ces travaux proposant que les émissions du secteur numérique représentaient en 2020 entre 2,1 et 3,9% des émissions mondiales (1,2-2,2 Gt eq-CO2). Le plus important ici n’est pas forcément cette estimation mais la tendance de ces émissions, or, depuis juin 2023, la communauté scientifique sur ce sujet est plus ou moins arrivé à un consensus : les émissions du secteur augmentent. Ce n’est pas une croissance exponentielle mais l’arrivée massive de nouveaux types d’équipements comme les objets connectés donne à voir plutôt une augmentation annuelle constante. Et nous n’avons pas mis à jour nos projections avec le nouveau marché de l’IA, d’autant plus que les premiers travaux d’estimation semblent inquiétants. Concernant les autres facteurs environnementaux, épuisement de ressources minérales, utilisation d’eau, pollutions des sols et des eaux, etc nous ne disposons aujourd’hui d’aucune estimation d’envergure ni de vision claire même si de nombreux projets de recherche avancent sur ces questions.

Les centres de données
Dans le travail de modélisation, nous privilégions pour l’instant la découpe du secteur en trois tiers : les centres de données, les réseaux et les équipements utilisateurs. Chacun de ces tiers poursuit sa propre trajectoire qu’il est nécessaire d’aborder. En premier lieu, les centres de données ont fait l’objet de travaux de fond sur leur consommation électrique pour ensuite obtenir des émissions carbone. Deux estimations font référence, celle de Masanet et al (2018) à 205 TWh de consommation électrique mondiale et celle de l’Institut Borderstep à 400 TWh. L’Agence Internationale de l’Énergie (IEA) a utilisé la première estimation pendant quelques années mais a revu ses travaux récemment et propose plutôt une fourchette entre 220 et 320 TWh (cela exclut la consommation électrique des cryptomonnaies qui est comptée à part par l’IEA). Il existe bien aussi un consensus sur l’augmentation croissante de la consommation électrique des centres de données mais les opérateurs misent sur l’achat ou la production d’énergie bas carbone pour décorreler consommation d’électricité et émissions de carbone avec plus ou moins de succès. Encore une fois ces chiffres ne prennent en compte que l’usage des centres de données et n’intégrent pas les impacts environnementaux liés à la fabrication des serveurs et autres équipements. Au-delà de la consommation électrique c’est plutôt le poids local de ces infrastructures qui devient de plus en plus problématique autant pour la disponibilité électrique que pour l’accès à l’eau. De nombreux conflits locaux se développent : Irlande, Espagne, Chili, Amsterdam, Francfort, Londres, États-Unis. À l’échelle française, L’Île-de-France héberge la plupart des centres de données français et fait face à de nombreuses problématiques qui invite à une réflexion et une planification profonde comme très bien démontré par l’étude récente de l’Institut Paris Région.

Les réseaux de télécommunication
Les réseaux de télécommunications comprennent tous les réseaux d’accès fixes (ADSL, Fibre), les réseaux d’accès mobile (2G/3G/4G/5G) et les réseaux coeurs. En 2015, Malmodin & Lundén (2018) estimaient la consommation électrique mondiale des réseaux à 242 TWh et l’empreinte carbone à 169 Mt eq-CO2. Depuis peu de travaux se sont réessayés à l’exercice. Coroama (2021) a proposé une estimation à 340 TWh pour les réseaux en 2020 et aujourd’hui l’IEA estime la consommation électrique en 260 et 340 TWh (IEA). L’empreinte carbone des réseaux, autant au niveau de la fabrication du matériel que de l’usage reste à mieux définir mais implique aussi de redoubler d’efforts sur de nombreux angles morts : le déploiement (génie civil, etc.) et la maintenance sont des parts significatives de l’empreinte des réseaux qui n’ont quasiment pas été comptées jusque là. De même, les satellites de télécommunication devraient faire partie du périmètre des réseaux mais leur impact avait été considéré comme minime. Toutefois, le déploiement massif de constellation avec des satellites d’une durée de vie de 5 ans implique une attention renouvelée.

Les équipements utilisateurs
Finalement, le dernier tiers, celui des équipements utilisateurs, inclut à la fois les équipements personnels (smartphone, portable, tablette, ordinateurs, écrans, etc) et professionnels. Certains segments connaissent une contraction depuis quelques années : le vente d’ordinateurs fixes chute (sauf pour le gaming), de même que les livraisons de smartphones. De l’autre, de nouveaux segments apparaissent comme les objets connectés grand public (enceinte, caméra, etc.). C’est l’arrivée de ces derniers qui est profondément inquiétante si les projections de marché se maintiennent car elle suggère le déploiement massif d’objets de qualité variable, à faible durée de vie et donc à fort taux de renouvellement (Pirson et Bol, 2021). En descendant d’un niveau, à l’échelle des composants clés, nous voyons une augmentation de l’empreinte de fabrication des circuits intégrés les plus avancés (<10nm) (Pirson et al, 2022), c’est-à-dire les nouveaux processeurs (Apple série M) ou dans les puces de calcul graphique (produits Nvidia par exemple) aujourd’hui très recherchées pour l’entrainement d’IA génératives.

Les services numériques
À cela s’ajoute une inconnue évidente : l’évolution des services numériques. Les équipes de recherche ne peuvent pas prévoir l’apparition de nouveaux usages dans leur estimation, or les usages se sont plutôt stabilisés depuis quelques années. Le passage en force du Métaverse consistant à créer de nouveaux usages, de nouveaux services et de nouveaux équipements dédiés à échouer. Le dernier grand changement date d’un alignement des planètes entre 2010 et 2012 avec le déploiement massif de smartphones, la mise en route des réseaux 4G et la massification de l’offre vidéo en ligne. Aujourd’hui, les services grand public supportés par l’IA proposent une nouvelle évolution des usages mais, au-delà des discours mercantiles et/ou prophétiques, la tendance est encore loin d’être claire.
Malgré les immenses zones d’ombre qui restent encore à éclairer la connaissance de l’empreinte carbone du secteur numérique commence à se stabiliser. Les tendances futures montrent plutôt une augmentation globale de l’impact et une tension locale de plus en plus accrue. Face à cela, une question demeure, est-ce que l’augmentation de cette empreinte permet de réduire celles des autres secteurs ? En somme, est-ce que la numérisation est un « investissement environnemental » cohérent. Voyons cela ensemble dans la deuxième partie.

Les effets sur les émissions de carbone dans les autres secteurs
Comme vu au début de cet article, la question des effets environnementaux de la numérisation dans les autres secteurs, que ces effets soient positifs ou/et négatifs, s’est posée d’emblée, toutefois, elle a été bien moins traitée que la question de l’empreinte du secteur. Au même titre que les économistes ont de nombreuses difficultés à isoler la contribution de la numérisation au PIB ou à la productivité, les chercheurs en sciences environnementales font face au même défi. Dans un premier temps, les effets environnementaux liés à des services numériques ont dû faire l’objet d’une classification qui commence doucement à se stabiliser aujourd’hui : les effets de second ordre (gain d’efficacité, substitution, effet rebond direct) et de plus grande ordre (effets rebonds indirects, rebond macro-économique, induction, etc.) (Hilty et al, 2006 ; Hilty et Aebischer, 2015 ; Horner et al, 2016). Si un gain d’efficacité est simple à comprendre la question des effets rebonds poursuit le secteur numérique depuis 30 ans. Un effet rebond peut être simplement défini comme un gain d’efficacité ou une optimisation qui conduit à une augmentation de la production ou de la demande, contrecarrant ainsi une partie, voire tous les gains obtenus. C’est un principe économique qui est
théorisé depuis un siècle et demi, historiquement associé avec la question énergétique, qui est particulièrement pertinent dans le phénomène de numérisation à cause des effets macro et microéconomiques de ce dernier.

Les études industrielles
On distingue trois types de littérature sur ce sujet : la production industrielle (rapport, livre blanc, etc), la production scientifique (articles de recherche, etc), et la littérature institutionnelle qui pioche dans les deux. La littérature industrielle a une tendance farouche à se concentrer que sur la modélisation des effets positifs (efficacité, optimisation) en mettant systématiquement de côté les effets négatifs (effets rebonds, induction, etc.). Deux rapports industriels ont été particulièrement diffusés et cités : le rapport SMARTer2030 de GeSI (un groupe de réflexion des entreprises de la tech sur la question environnementale) qui estime que la numérisation peut réduire les émissions mondiales de 20% d’ici 2030, et le rapport ‘Enablement Effect’ de GSMA (l’organisation mondiale des opérateurs télécom) qui estime que les technologies mobiles ont permis d’éviter 2,1 Gt eq-CO2 en 2018. Ces rapports visent à promouvoir l’idée d’un effet d’abattement (enablement effect), c’est-à-dire, un 1g d’eqCO2 émis par le secteur numérique pourrait permettre d’éviter 10g d’eqCO2 dans les autres secteurs. Ces affirmations ont eu une grande popularité au sein des entreprises du secteur et dans le monde institutionnel. Dans la communauté scientifique, aucune équipe s’est aventurée dans de tels travaux tant les difficultés méthodologiques sont nombreuses. Il est en fait bien connu parmi les scientifiques spécialisés que ces affirmations sont notoirement douteuses et les défauts méthodologiques de ces rapports trop nombreux pour qu’ils soient utilisés pour orienter la prise de décision publique ou privée (Malmodin et al, 2014 ; Malmodin et Coroama, 2016 ; Bieser et Hilty, 2018 ; Coroama et al, 2020 ; Bergmark et al, 2020 ; Rasoldier et al, 2022 ; Bieser et al, 2023). Leurs principaux défauts sont des extrapolations globales à partir d’études de cas ou d’échantillons très réduits, la représentativité de ces mêmes échantillons, l’omission des effets directs des solutions étudiées (l’empreinte environnementale) et des effets rebonds, et de tous les effets structuraux dont dépendent le succès ou l’échec d’une solution numérique.

La complexité du problème
Les chercheurs qui travaillent sur ces sujets savent que les effets environnementaux d’une solution numérique dépendent bien plus de facteurs contextuels que de ses capacités propres : politiques publiques, prix, culture, infrastructures disponibles, contexte commerciale, etc. Par exemple, une application de partage de vélo a bien moins de chances de produire des effets positifs dans une ville sans infrastructure vélo développée, ou un système intelligent de gestion du chauffage sera bien mieux efficace dans une maison isolée. Cela ne veut pas dire pour autant que la numérisation de certaines activités permet effectivement d’éviter des émissions mais ce qui est observable à petite échelle peine à se réaliser à plus grande échelle. Par exemple, il est évident aujourd’hui que le télétravail permet d’éviter à court terme des trajets en voitures individuelles. Toutefois, pris sur une période de temps plus longue et à une échelle nationale, les choses se compliquent. Caldarola et Sorrell (2022) ont publié un article pour répondre à une question fondamentale : est-ce que les télétravailleurs voyagent moins ? Pour ce faire ils se sont appuyés sur des données longitudinales d’un échantillon randomisé de 13 000 foyers anglais de 2005 à 2019. Ils ont observé que le groupe de télétravailleurs faisaient moins de trajets que le groupe de non-télétravailleurs mais que les deux groupes parcouraient un nombre similaire de kilomètres à l’année. Cela est du à plusieurs effets adverses : l’éloignement croissant entre foyer et lieu de travail, voyages plus loin le week-end, modes de transport, trajets non évitables, etc. Néanmoins, les auteurs notent qu’à partir de trois jours et plus de télétravail, les télétravailleurs commencent à parcourir moins de kilomètres que l’autre groupe. Cet exemple donne à voir à quel point il est complexe d’inférer qu’un effet positif observé à petite échelle se maintienne en toutes conditions à l’échelle d’un pays car de nombreux autres effets, notamment différents types d’effets rebonds et d’induction, peuvent compenser les gains bruts.

Savoir où chercher
Savoir si la numérisation a un potentiel pour aider à la décarbonation d’une économie n’est pas la question, tout le monde reconnaît ce potentiel. Par contre, ce potentiel ne semble pas s’être manifesté structurellement au sein des économies les plus numérisées de la planète. Nous disposons de nombreuses études de cas qui montrent des solutions numériques avec des effets encourageants dans certains contextes, mais le problème est que même si nous pouvons déployer massivement ces solutions nous ne pouvons pas répliquer les contextes d’application et surtout les répliquer à plus grande échelle. Cela implique que certaines voies de numérisation ne sont pas
compatibles avec la décarbonation. Premièrement, les solutions numériques qui rendent plus efficaces l’extraction d’énergies fossiles : en 2019, Microsoft mettait en avant que leurs solutions numériques pour Exxon permettraient d’augmenter la production journalière de barils de 50 000 d’ici 2025 (pour l’instant personne ne s’est donné la peine d’estimer toutes les émissions ajoutées de la numérisation dans le secteur des énergies fossiles). Deuxièmement, certaines solutions numériques proposent plutôt un statu quo qu’un réel gain, ici les solutions de smart home démontre une grande ambivalence entre gain de confort supposé (automatisation et programmation des fonctions d’une maison), ajout de nouvelles options de divertissement (enceintes, etc.) et économies d’énergie (Sovacool et al, 2020). Prises ensemble, toutes ces promesses tendent à se contrecarrer et à maintenir un statu quo. De façon générale, les solutions numériques qui misent la plupart de leurs gains potentiels sur des changements de comportement individuel constants et stables dans le temps présentent un plus grand risque. Les solutions numériques pouvant avoir le plus d’effets positifs sont généralement celles qui s’appuient sur un financement stable et pérenne, qui évoluent dans des univers assez contrôlés où le comportement humain est moins central et qui sont appliqués sur des infrastructures déjà établies à grande échelle (ou en passe de l’être). Toutefois, il faudra encore de nombreuses années de recherche pour comprendre ces dynamiques et arriver à une vue stratégique plus fine et surtout moins biaisée par les intérêts industriels.

Ce que permet et ne permettra pas la numérisation
Se poser sérieusement la question de la contribution de la numérisation à la transition écologique d’un pays implique de se décentrer d’une vue mono-solution où on infère des effets à partir d’une étude de cas mené à un instant t, qui est généralement celle des entreprises ou des industries numériques. La planification écologique d’un pays comme la France requiert d’identifier les leviers les plus importants au niveau de leur effet à grande échelle, et de la stabilité de leur effet dans le temps, dans les secteurs les plus urgents à décarboner. Ces leviers sont rarement les solutions les plus faciles et les moins chères, ce sont généralement des politiques publiques qui essayent de modifier en profondeur des modes de vie. Les solutions numériques ont encore une place indéterminée dans cette réflexion. Un problème central pour les solutions numériques est la persistance des effets. Pour reprendre le cas du télétravail, si aujourd’hui cela évite un trajet en voiture individuelle essence ou diesel, les trajectoires de décarbonation de la France laissent imaginer que le télétravail évitera en 2030 un trajet à pied ou à vélo, ou un trajet en voiture ou en transport en commun électrique. Cela implique que l’effet positif sera forcément à rendement décroissant et constitue plutôt un levier à court-terme, moins structurant pour une planification écologique. La logique peut aussi s’inverser : on observe généralement que des économies d’énergie liées à un système de chauffage plus intelligent sont généralement réinvesties par une augmentation de la température de chauffe du logement et donc un gain de confort (Belaïd et al, 2020), ce qui est un effet rebond direct classique. Toutefois, en pleine crise du coût de la vie et avec un prix du kWh plus élevé, il y a de fortes chances que cet effet rebond disparaisse à cause de budgets bien plus serrés dans les foyers. C’est cette grande ambivalence et cette grande exposition aux facteurs « contextuels » qui maintient en partie la numérisation comme un impensé de la transition écologique et explique la prudence du GIEC dans l’extrait cité en introduction. Ces grands chantiers de recherche ne font encore que commencer.

Gauthier Roussilhe, doctorant RMIT / page web perso

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