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L’ascenseur spatial a été proposé pour la première fois en 1895, et peut-être même avant. L’idée d’une tour géante qui peut nous transporter de la Terre à l’espace relève de la science-fiction. Mais l’émergence de nouvelles technologies, de nouvelles connaissances et de nouveaux matériaux rend cette possibilité de plus en plus tangible, avec les premiers essais de structures. Alors est-il vraiment possible de créer un ascenseur dans l’espace ?
L’avantage le plus notable d’un ascenseur spatial est de réduire considérablement le coût d’envoi de charges utiles et d’équipages dans l’espace. Même avec l’avantage des fusées réutilisables, comme celles de SpaceX en particulier, il est toujours très coûteux d’envoyer quoi que ce soit en orbite. La raison est liée à la gravité terrestre.
En effet, pour qu’un objet soit libéré de l’attraction gravitationnelle d’une planète ou d’une lune, qui l’attire vers elle, il faut qu’il atteigne une certaine vitesse, la vitesse de vol ou de fuite. En fait, puisque chaque planète a une gravité différente, cette vitesse est également différente pour chaque planète. Pour la Terre, une fusée, par exemple, doit atteindre une vitesse de 40 270 km/h, ce qui signifie que la quantité de carburant nécessaire pour atteindre cette vitesse est considérable.
Une idée est alors de construire un ascenseur spatial, rien de moins qu’un câble qui s’étend de la Terre à une orbite lointaine et permet de monter dans l’espace. Dans ce contexte, l’autre avantage net est que le processus de mise à l’échelle peut être alimenté par l’énergie solaire et n’aurait donc pas besoin de carburant.
La principale priorité de recherche pour l’ascenseur spatial est de trouver un matériau suffisamment solide, long et léger. La deuxième priorité est de travailler sur les moyens de réduire les besoins en force tout en emportant une charge utile spécifique. Les défis depuis l’émergence de cette idée n’ont fait que se multiplier, malgré les pistes prometteuses. Mais pourrons-nous vraiment atteindre l’espace un jour avec un simple ascenseur ?
Sommaire
Définir un ascenseur spatial
Tout d’abord, nous devons nous mettre d’accord sur ce que nous appelons un ascenseur spatial. La NASA a défini le concept comme suit dans un rapport de 2000 : « Un ascenseur spatial est une connexion physique entre la surface de la Terre et une orbite terrestre géostationnaire (GEO) au-dessus de la Terre ≈ 35 786 km d’altitude. Son centre de masse est au niveau géostationnaire point, il a donc une orbite de 24 heures et reste au même point au-dessus de l’équateur pendant que la Terre tourne sur son axe. »
Arthur C. Clarke a proposé une autre définition lors de son discours au 30e Congrès international d’astronautique (1979) : « Un ascenseur spatial est une structure qui relie un point de l’équateur à un satellite en orbite géostationnaire directement au-dessus. « , permettrait une réduction massive du coût des opérations spatiales ».
Il complète sa définition : « Les besoins énergétiques nets seraient quasiment nuls, car en principe toute l’énergie pourrait être récupérée sur les charges utiles de retour ; en effet, en poursuivant la structure au-delà du point géostationnaire (nécessaire de toute façon pour des raisons de stabilité), on pourrait donner aux charges utiles une vitesse de fuite simplement en utilisant l’effet « fronde » de la rotation de la Terre ».
Par conséquent, les éléments structurels de l’ascenseur sont une base (ou ancre), un câble (ou longe), des grimpeurs, des systèmes d’alimentation et un contrepoids dans l’espace. En effet, pour empêcher l’imposant câble de tomber, il doit être équilibré à l’autre extrémité par une masse en orbite similaire. L’ensemble de l’ascendance serait alors supporté par des forces centrifuges, résultant de la rotation de notre planète.
Cependant, aucun matériau connu n’est suffisamment solide pour résister à ces forces. Les défis techniques et les coûts associés à cette structure sont colossaux. Mais à chaque génération, de nouvelles recherches tentent de surmonter ces obstacles.
Des essais japonais en cours pour une construction en 2050
En 2018, une équipe de chercheurs de l’université de Shizuoka, travaillant sur le développement d’un ascenseur spatial, a mené un premier test. En effet, le 22 septembre 2018, l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale a lancé une fusée transportant l’expérience STARS-Me (Space Tethered Robotic Satellite – Mini Elevator) depuis l’île de Tanegashima.
Le test porte sur un ascenseur miniature : une boîte d’à peine six centimètres de long, trois centimètres de large et trois centimètres de haut. Si tout se passe bien, il fournira une preuve de concept en se déplaçant le long d’un câble de 10 mètres suspendu dans l’espace entre deux mini-satellites qui le maintiennent tendu. Le mini-élévateur se déplace le long du câble à partir d’un conteneur sur l’un des satellites.
Un porte-parole de l’université a déclaré dans un communiqué : « Ce sera la première expérience au monde à tester le mouvement d’un ascenseur dans l’espace ». Le mouvement de la boîte « ascenseur » motorisée est surveillé par des caméras sur les satellites.
Ce test fait suite à plusieurs autres tentatives (STARS, STARS-II et STARS-C en 2009, 2014 et 2016 respectivement) de satellites câblés, mais aucune ne s’est concentrée sur le mouvement ascendant et descendant d’un mini-ascenseur. Sur le site Web de la société, vous pouvez suivre l’évolution de ces satellites, dont beaucoup ont fini par tomber en panne. Cependant, deux projets sont en cours de développement.
L’entreprise de construction japonaise Obayashi, qui collabore au projet de l’Université de Shizuoka, explore également d’autres moyens de construire son propre ascenseur spatial pour envoyer des touristes dans l’espace d’ici 2050. L’entreprise a déclaré qu’elle pourrait utiliser la technologie des nanotubes de carbone, qui est plus de 20 fois supérieure. plus puissant. que l’acier, pour construire une cage d’ascenseur à 96 kilomètres au-dessus de la Terre.
Il serait possible de créer un ascenseur avec nos technologies actuelles
En 2019, un duo de chercheurs, Zephyr Penoyre de l’université de Cambridge au Royaume-Uni et Emily Sandford de l’université de Columbia à New York, affirmait que l’idée d’un câble reliant directement la Terre à l’espace était réalisable avec les technologies du temps. .
Selon le MIT Technology Review, les deux scientifiques ont adopté une approche différente. Au lieu d’ancrer le câble à la Terre, ils proposent de l’ancrer à la Lune et de le suspendre à la Terre.
La grande différence vient des forces centrifuges mentionnées ci-dessus. Un ascenseur spatial conventionnel ferait une rotation complète chaque jour, en phase avec la rotation de la Terre. Mais la ligne spatiale basée sur la Lune n’orbiterait qu’une fois par mois, un rythme beaucoup plus lent avec des forces proportionnellement plus faibles.
De plus, les forces sont disposées différemment. S’étendant de la Lune à la Terre, la ligne d’espace traverserait une région de l’espace où la gravité terrestre et lunaire s’annulent, le point de Lagrange. C’est-à-dire qu’en dessous, la gravité tire le câble vers la Terre ; au-dessus, la gravité tire le câble vers la surface lunaire. Sans compter que le risque d’être touché par des objets spatiaux (comme des météores) est faible dans cette zone, et que le câble pourrait être conçu pour résister à de petites secousses, suggèrent les chercheurs.
Pour ce dernier, les voyageurs emmèneront d’abord une fusée jusqu’à une station d’embarquement au pied de l’ascenseur, puis un véhicule solaire jusqu’à la Lune. Ils ajoutent: « Cela réduirait le carburant nécessaire pour atteindre la surface de la Lune à un tiers de la valeur actuelle. »
D’autres groupes de recherche ont déjà proposé divers types d’ascenseurs à câbles aériens vers la Lune, mais Penoyre et Sandford présentent une analyse inhabituellement détaillée de la faisabilité technique et financière du concept. Ils disent que leur système, qu’ils appellent Spaceline, pourrait être construit pour quelques milliards de dollars en utilisant la technologie actuelle et réduirait le coût du voyage lunaire en réduisant le besoin de fusées gourmandes en gaz.
Les auteurs pensent que cela pourrait faciliter des expéditions scientifiques plus fréquentes sur la Lune et peut-être même des entreprises industrielles, telles que l’extraction de minéraux rares qui sont abondants sur la surface lunaire. Penoyre explique dans un communiqué de presse: « La ligne spatiale deviendrait une infrastructure, comme un ancien chemin de fer, qui permettrait la circulation aisée des personnes et des fournitures dans l’espace. »
Le graphène remplit toutes les conditions d’un super-matériau
Comme mentionné ci-dessus, mis à part l’idée de Penoyre et Sandford, le concept de base d’un ascenseur spatial consiste à lancer un satellite en orbite géosynchrone, à abaisser un câble à la surface de la Terre, puis à le soulever. Toutes les pièces d’un ascenseur spatial peuvent être fabriquées avec la technologie d’aujourd’hui, à l’exception d’un élément : le câble.
Il nécessite un matériau suffisamment solide et léger pour supporter son propre poids plus celui de la charge utile. La corde aurait 100 000 kilomètres de long et 1 mètre de large. Jusqu’à récemment, le seul matériau candidat était les nanotubes de carbone, mais la fabrication de ce matériau dans les quantités nécessaires s’est avérée trop difficile.
Les scientifiques de l’International Space Elevator Consortium (ISEC) ont récemment affirmé qu’un processus de fabrication rentable pourrait produire des rubans de graphène suffisamment solides pour façonner un tel câble. Leurs dernières découvertes ont été détaillées dans un article présenté au Congrès international d’astronomie de septembre 2022 à Paris, rapporte Inverse.
Il faut savoir qu’en 2010, deux scientifiques de l’université de Manchester, au Royaume-Uni, ont remporté le prix Nobel de physique pour avoir découvert et isolé un nouveau matériau, le graphène. Le graphène est une nouvelle forme de carbone, 200 fois plus résistante que l’acier, mais souple et transparente. C’est le meilleur conducteur de chaleur et d’électricité au monde. Il a le point de fusion le plus élevé de tous les matériaux connus et est non toxique. Le graphène est assez solide et assez léger pour un ascenseur spatial.
Il existe trois formes principales de graphène : la poudre de graphène, le graphène monocristallin et le graphène polycristallin. Le graphène monocristallin est le terme utilisé pour décrire une feuille de graphène impeccable à grande échelle. Ce serait la forme utilisable pour le câble.
Mais sa réalisation était impossible jusqu’à l’arrivée des Chinois au laboratoire en juillet 2017. Depuis lors, d’autres laboratoires en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis ont fabriqué du graphène monocristallin, produisant une feuille d’un demi-mètre de long, avec une résistance à la traction. qui pourrait supporter l’ascenseur spatial. Mais à titre de comparaison, la plus longue passerelle du monde, le Sky Bridge en République tchèque, qui ouvrira en mai 2022, ne mesure que 721 mètres de long.
En 2021, la société américaine General Graphene a fourni à ISEC des échantillons de graphène polycristallin en couches allant d’un atome à 30 atomes d’épaisseur. Une corde d’ascenseur spatial aurait une épaisseur d’environ 12 000 atomes à son point le plus épais. Les auteurs de l’étude, le Dr. Nixon et ses collègues ont examiné les avantages du graphène monocristallin 2D par rapport à d’autres matériaux.
Comme ils le concluent, très peu de progrès ont été réalisés dans la fabrication de nanotubes de carbone au cours des trois dernières décennies. Le processus est extrêmement lent et les tubes obtenus ne sont jamais assez longs. En effet, ils peuvent actuellement être fabriqués en longueurs inférieures au mètre, très lentement. Si vous pouviez fabriquer un nanotube d’un mètre de long, cela prendrait 11 jours !
Et tandis que le nitrure de bore hexagonal (hBN) est robuste en résistance à la traction et a un processus de fabrication prometteur, il n’est pas encore à l’échelle et aux vitesses nécessaires pour créer une fixation, contrairement au graphène. Ce dernier, sous sa forme polycristalline, peut déjà être fabriqué en longueurs d’un kilomètre et à une vitesse de 2 mètres par minute.
Actuellement, le Dr Nixon et ses collègues estiment qu’avec le soutien et le développement appropriés, le prix de production des feuilles de graphène 2D monocristallin pourrait chuter jusqu’à 1 cent par mètre carré, ce qui signifie qu’il pourrait construire une corde pour 3,6 milliards de dollars ( environ 15 millions de dollars). % du budget de la NASA pour 2022).
Et si l’ascenseur tombe en panne ?
À première vue, le concept d’un ascenseur spatial rend un certain nombre de personnes sceptiques en raison des limitations techniques. Que se passe-t-il lorsque la question soulevée est celle de l’incident technique ? En d’autres termes, que se passe-t-il si le câble casse ? Plusieurs scénarios peuvent être envisagés.
Premier scénario : si le câble de l’ascenseur est coupé à son point d’ancrage sur la Terre, la force vers l’extérieur exercée par le contrepoids ferait monter tout l’ascenseur vers une orbite plus élevée, ou s’échapperait complètement de la gravité terrestre.
Deuxième cas : si la rupture se produisait à une altitude plus élevée, jusqu’à environ 25 000 kilomètres, le bas de l’ascenseur descendrait vers la Terre et s’enroulerait le long de l’équateur à l’est du point d’ancrage, tandis que le sommet désormais déséquilibré monterait vers un point plus élevé. orbite Les simulations de Rhett Allain pour le site Wired confirment ces méandres autour de la Terre.
VIDEO : Simulation d’un câble d’ascenseur spatial cassé. © Rhett Allain
Enfin, troisième scénario : Si la rupture se produisait du côté contrepoids de l’ascenseur, la partie inférieure, y compris la « station centrale » de l’ascenseur, commencerait à tomber et continuerait jusqu’à sa rentrée dans l’atmosphère. où il brûlerait ou impacterait la surface. Un mécanisme pour couper immédiatement le câble sous la station empêcherait la station de rentrer et la ferait continuer sur une orbite haute légèrement modifiée.
Des simulations ont montré que lorsque la partie descendante de l’ascenseur spatial « s’enroule » autour de la Terre, la tension sur la longueur restante du câble augmente, provoquant la rupture et l’éjection de ses sections supérieures. Les détails de la défaillance de ces pièces et les trajectoires qu’elles empruntent sont très sensibles aux conditions initiales.
Enfin, l’idée d’un ascenseur spatial n’est plus strictement de la science-fiction. Les nombreux projets en cours et les structures testées permettent d’imaginer dans un futur assez proche (tout est relatif) la possibilité d’aller dans l’espace dans une simple « boîte » par un très long câble… Ayez confiance cependant, les ingénieurs feront l’affaire ça doit être total !
Pour conclure, voici un aperçu d’artiste d’un ascenseur spatial, une animation réalisée par le fondateur de Trust My Science, Jonathan Paiano :