Ascenseur spatial

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Diagramme d'un ascenseur spatial

L'ascenseur spatial est un type de transport spatial entre la surface et une orbite autour de la Terre (ou une autre planète). Il se fonde sur l'idée d'un câble maintenu tendu par la force centrifuge due à la rotation de la Terre sur elle-même. Pour être en équilibre, le câble doit s'allonger au-delà de l'orbite géostationnaire (36 000 km), à partir de laquelle la force centrifuge dépasse la force de gravitation. Une fois en place, des nacelles montant le long du câble permettraient de rejoindre l'orbite de façon plus économique qu'avec un lanceur spatial classique comme une fusée.

L'idée développée dans les années 1950 s'est heurtée à de nombreuses contraintes technologiques, et en premier lieu à l'inexistence d'un matériau à la fois suffisamment léger et résistant pour résister à la tension engendrée par le propre poids du câble. La découverte dans les années 1980-90 des nanotubes de carbone, dont les propriétés mécaniques théoriques pourraient être suffisantes, a relancé un certain intérêt pour cette idée, qui reste cependant pour l'instant du domaine de l'utopie ou de la science fiction.

Histoire[modifier | modifier le code]

Naissance du concept[modifier | modifier le code]

Le concept d'ascenseur spatial a été inventé par le pionnier russe de l'astronautique Constantin Tsiolkovski en 1895[1] . Sur le modèle de la Tour Eiffel, qui vient d'être achevée en 1889, il imagine une tour de 35 790 km de haut, qui permettrait d'amener par un ascenseur des charges en orbite géostationnaire.

Si le concept de l'ascenseur spatial a été vite relancé par Yuri Artsutanov qui proposa en 1960 non plus une tour mais un câble suspendu depuis l'espace et en suggérant d'utiliser un dispositif similaire à une cabine d'ascenseur[2], il n'a été présenté qu'en 1978 au grand public par Arthur C. Clarke, dans son roman de science-fiction Les Fontaines du paradis. Il est aussi appelé tour orbitale (orbital tower en anglais).

Clarke décrit la construction, à partir d'une station spatiale, d'une gigantesque tour destinée à constituer un lien fixe entre la surface terrestre et un contre-poids en orbite géostationnaire. L'équilibre de l'ensemble est assuré en permanence, par la construction d'un autre élément de tour dans la direction opposée. Au total, c'est une sorte de fronde de 72 000 kilomètres de long qu'il faut réaliser.

Comme souvent, Clarke s'est inspiré de travaux scientifiques réels, en particulier de ceux de l'ingénieur américain Jerome Pearson, qui publia sa thèse en 1975 (Jerome Pearson redécouvre l'idée bien plus tard qu'Yuri Arsutanov, car les projets de celui-ci restèrent confidentiels), et ceux de quatre autres américains (John D. Isaacs, Hugh Bradner, George Backus (en) du Scripps Institution of Oceanography, et Allyn C. Vine (en) de l'institut océanographique de Woods Hole) ont publié le 11 février 1966, dans la revue Science (Satellite elongation into a true « Sky Hook »)[3].

Dans ses travaux, en 1975, Jerome Pearson propose d'adopter une structure en forme de long ruban, dont une extrémité jouerait elle-même le rôle de contre-poids. C'est devenu un projet de 144 000 kilomètres (38 % de la distance Terre – Lune) mais il n'est plus nécessaire d'arrimer aussi solidement la base terrestre de l'ouvrage (dans le roman de Clarke, la base de la tour est ancrée de plusieurs kilomètres dans le sous-sol).

Équilibre du système[modifier | modifier le code]

L'ascenseur spatial pourrait prendre la forme d'un long câble sur lequel circuleraient des navettes.

Chaque portion du câble est soumise d'une part à l'attraction gravitationnelle terrestre, et d'autre part à l'accélération d'entraînement (la force centrifuge), qui s'équilibrent à l'altitude de l'orbite géostationnaire. La pesanteur domine en dessous de cette altitude, et il faut donc une longueur suffisante de câble (ou une masse suffisante, par exemple constituée du lanceur ayant lancé initialement le câble, ce qui permettrait de raccourcir ce dernier) au-dessus, pour assurer une tension vers le haut.

En dehors de celle à l'altitude de l'orbite géostationnaire, les sections du câble ont une vitesse de rotation différente de celle qu'elles auraient si elles étaient en orbite libre : plus lente en dessous et plus rapide au-dessus.

Arrivée des nanotubes[modifier | modifier le code]

Concept de la NASA.

Les matériaux classiques sont insuffisamment résistants, mais la découverte des nanotubes a fait réapparaître un certain intérêt pour cette idée.

Brad Edwards, de la fondation californienne Eureka Scientific décrit en détail une méthode possible de construction d'un tel ascenseur (voir lien externe) :

  • Tout d'abord, on lance un engin spatial en orbite géostationnaire.
  • Puis celui-ci envoie vers la Terre un mince ruban (1 micromètre d'épaisseur) présentant des caractéristiques mécaniques ad hoc (résistant et léger). Au fur et à mesure que le câble descend, le véhicule s'écarte de la Terre pour maintenir l'équilibre. Il atteint ainsi une distance de 72 000 km.
  • Une fois le premier câble amarré au sol, on s'en sert pour en mettre en place d'autres et constituer le câble définitif.

L'intérêt d'un tel système réside dans son faible coût de fonctionnement. Dans certains projets, l'énergie de freinage d'une cabine descendante peut même être récupérée pour propulser une cabine montante. Son inconvénient principal est sa vulnérabilité aux météorites, aux débris spatiaux, aux engins aériens ou même aux catastrophes naturelles.

Des calculs ont été effectués, et ont démontré que le câble de nanotubes en question devrait mesurer environ un mètre de large, être aussi mince qu'une feuille de papier, et être apte à supporter une tension d'environ 63 GPa, équivalente à « une joute de souque à la corde opposant 100 000 personnes de chaque côté »[4].

Nicola Pugno de l'École polytechnique de Turin fait cependant remarquer que les assemblages de nanotubes de carbone sur lesquels reposaient tous les espoirs ne seraient pas assez solides[5]. Dans un article du Journal of Physics : Condensed Matter[6], il ajoute que même dans le cas où l’ascenseur spatial pourrait être déployé, les micrométéorites et l’érosion par l’oxygène ne manqueraient pas de l’affaiblir.

Outre la résistance du câble, il faudrait également résoudre le problème des collisions avec les satellites ou des débris orbitaux, en particulier la combinaison de l'inclinaison de l'axe de la Terre et de la présence de la lune peut créer un balourd dynamique[réf. souhaitée].

Concours[modifier | modifier le code]

La NASA a organisé un concours ayant pour objectif la conception d'un câble en nanotubes, le Tether Challenge. Ce concours a offert en 2008 un prix d'un million de dollars à l'équipe qui proposera le câble en nanotubes le plus résistant, pourvu qu'il le soit au moins deux fois plus que le meilleur câble sur le marché[7].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. "Constantin Tsiolkovsky, Grezy o Zemle i Nebe (i) Na Veste" (en russe), Spéculations au sujet de la Terre et du Ciel, et sur Vesta Académie des Sciences de l'URSS, Moscou, 1959, p. 35 (publié pour la première fois en 1895)
  2. (en) Nasa hopes to catch an elevator to space, sur le site de The Guardian
  3. (en) John D. Isaacs, Allyn C. Vine, Hugh Bradner et George E. Bachus, « Satellite Elongation into a True "Sky-Hook" », Science, no 3311,‎ 1966, p. 682-683 (DOI 10.1126/science.151.3711.682, lire en ligne)
  4. Christophe Olry, Futura-Sciences, « Ascenseur spatial : un rêve qui manque de solidité... » (consulté le 4 juin 2008)
  5. (fr) Ascenseur spatial : un rêve qui manque de solidité…
  6. (en) On the strength of the carbon nanotube-based space elevator cable: from nanomechanics to megamechanics [PDF]
  7. (en) The Spaceward Foundation, « 2008 Tether Strength Competition » (consulté le 15 juin 2008)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Liens externes[modifier | modifier le code]