Ascenseur spatial

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Sauter à la navigation Sauter à la recherche
Concept d'ascenseur spatial de la NASA.

L’ascenseur spatial est un type de transport spatial entre la surface et une orbite autour de la Terre (ou d'un autre astre : lune (ascenseur spatial lunaire), autre planète).

Ce concept est fondé 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 d'un ascenseur spatial, 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 poids propre du câble. La découverte dans les années 1980-1990 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.

Historique[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, achevé en 1889, il imagine une tour de 35 790 km de haut, qui permettrait d'amener par un ascenseur des charges en orbite géostationnaire.

Le concept de l'ascenseur spatial a été 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].

Dans ses travaux, en 1975, Jerome Pearson propose d'adopter une structure en forme de deux longs rubans, de part et d'autre d'un satellite en orbite géostationnaire. Une extrémité joue le rôle de contre-poids, qui évite d'arrimer trop solidement la base terrestre de l'ouvrage. Cela en fait un projet de 144 000 kilomètres de long (38 % de la distance TerreLune) . Jerome Pearson redécouvre bien plus tard l'idée de Yuri Arsutanov (car les projets de celui-ci restèrent confidentiels).

En 1978, le romancier Arthur C. Clarke dévoile le concept au grand public dans son roman de science-fiction Les Fontaines du paradis. Il est aussi appelé « tour orbitale » (orbital tower). 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. La base nécessite de solides fondations : dans le roman de Clarke, la base de la tour est ancrée de plusieurs kilomètres dans le sous-sol.

Comme souvent, Clarke s'est inspiré de travaux scientifiques réels, en particulier de ceux de Pearson , et ceux de quatre autres Américains (John D. Isaacs, Hugh Bradner, George Edward Backus (en) de l'Institut d'océanographie Scripps et Allyn C. Vine (en) de l'institut océanographique de Woods Hole) ont publié le dans la revue Science (« Satellite elongation into a true "Sky Hook" »)[3].

Ingénierie de l’ascenseur[modifier | modifier le code]

Schéma de principe d'un ascenseur spatial (image non à l'échelle).

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.

Construction[modifier | modifier le code]

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.

Problématiques[modifier | modifier le code]

Matériaux[modifier | modifier le code]

Les matériaux classiques sont insuffisamment résistants, mais la découverte des nanotubes de carbone a fait réapparaître un certain intérêt pour cette idée, avec une résistance à la traction pouvant atteindre 80 GPa[a].

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 »[5].

Nicola Pugno (en) 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[6]. Dans un article du Journal of Physics : Condensed Matter[7], 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.

Débris orbitaux[modifier | modifier le code]

Image de la Terre et de la répartition des débris spatiaux jusqu'à l'orbite géosynchrone.

Outre la résistance du câble, il faudrait également résoudre le problème des collisions avec les satellites ou des débris orbitaux. Dans la situation en 2019, plus 167 millions de débris pourraient croiser le câble, ce qui implique une dizaine d'impacts d'objets de moins de 10cm par jour[8]. Un compartimentage du câble, et des réparations par le passage régulier d'une cabine de maintenance pourrait traiter ces événements[8].

Cependant, il existe également plus de 29000 objets capables potentiellement de sectionner le câble, sont les impacts pourraient avoir une fréquence allant d'une fois par semaine à une fois par an. Une solution potentielle serait de suivre précisément ces objets, et manœuvrer le câble à partir de la base pour les éviter[8].

Énergie[modifier | modifier le code]

Le problème est de fournir l'énergie nécessaire pour monter une cabine de 20 tonnes, à une vitesse de l'ordre de 200 km/h, sur une distance de 36 000 km (soit de l'ordre de 300 Mégawatts), et de véhiculer la puissance sans trop de pertes jusqu'à la cabine[8]. Pour éviter de véhiculer trop de puissance à partir de la Terre, il est par exemple envisagé de déployer de vastes surfaces de panneaux solaires une fois la cabine sortie de l'atmosphère (soit après l'altitude de 150 km)[8].

Stabilité[modifier | modifier le code]

Des oscillations longitudinales et transversales du câble peuvent être provoquées par de nombreux événements : vents rapides dans les couches hautes de l'atmosphère, force de coriolis s'appliquant sur le câble et aux cabines qui tire l'ascenseur dans la direction opposée à la direction de la rotation de la Terre, d'autant plus forte que la vitesse de la cabine est grande[8]. Pour les oscillations longitudinales, la base devra être mobile pour accompagner les mouvements du câble, et pour les oscillations transversales des moteurs fusée au niveau de la cabine peuvent être employés pour stabiliser[8].

Habitabilité[modifier | modifier le code]

Représentation schématique des ceintures de Van Allen.

Le problème est notamment le franchissement des ceintures de Van Allen, qui contient une grande densité de particules énergétiques provenant du vent solaire[8]. La première, située entre 700 et 10 000 km d'altitude, est constituée principalement de protons à haute énergie (jusqu'à plusieurs centaines de MeV). La seconde plus large, se déploie entre 13 000 et 65 000 km d'altitude ; elle est constituée d'électrons également à haute énergie (> 5 MeV) . A une vitesse de 200 km/h, les passagers peuvent rester plusieurs jours à l'intérieur de ces ceintures, alors que les astronautes de la mission Apollo les avaient franchi en moins d'une demi-heure.

Une protection est alors nécessaire pour les voyageurs humains, qui peut prendre la forme de lourds blindages de plomb ou d'eau. Dans un premier temps, l'ascenseur spatial sera réservé au transport de marchandises[8].

Travaux pratiques[modifier | modifier le code]

La Spaceward Foundation, soutenue par la NASA, a organisé en 2005 (et annuellement jusqu'en 2009) un concours ayant pour objectif la conception d'un câble en nanotubes, le Tether Challenge (en). La récompense était de deux millions de dollars à l'équipe qui proposerait le câble en nanotubes le plus résistant, pourvu qu'il le soit au moins deux fois plus que le meilleur câble sur le marché[9], mais personne ne l'a revendiquée[4],[10],[b].

En 2012, l'entreprise japonaise du BTP Obayashi annonce son souhait de bâtir le premier ascenseur pour emmener des touristes dans l'espace à l'horizon 2050. En septembre 2018, des chercheurs de l'université de Shizuoka en collaboration avec cette entreprise vont envoyer vers la station spatiale internationale un premier petit démonstrateur à bord du cargo de ravitaillement HTV-7. Le décollage est prévu le 11 septembre 2018 à bord d'une fusée H-2B depuis la base de Tanegashima. Il s'agit de deux nano-satellites de 10 centimètres de côté qui seront reliés par un câble de 10 mètres. Une petite cabine de quelques centimètres effectuera ensuite des allers-retours le long de ce câble.

Dans la culture populaire[modifier | modifier le code]

Littérature[modifier | modifier le code]

Manga et anime[modifier | modifier le code]

  • Une représentation d'un ascenseur spatial est visible dans l'OAV japonaise de science-fiction Cyber City Oedo 808 (troisième épisode, « Virus Mortel »), sortie en 1990.
  • Dans la série Gundam 00, trois ascenseurs orbitaux de 50 000 km de hauteur ont été construits et sont reliés par deux ceintures de satellites solaires, l'une à 10 000 et l'autre à 40 000 km d'altitude, qui renvoient l'énergie sur Terre via les ascenseurs. Ils sont aussi utilisés pour le transport de touristes et l'exploration spatiale.
  • Les cités Jéru et Zalem où se tiennent une partie de l'action du manga Gunnm (et sa suite Gunnm Last Order) sont les deux extrémités d'un ascenseur spatial.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Cette résistance pourrait théoriquement atteindre 300 GPa, mais une partie de la résistance est perdue dans l'opération de liaison des fibres en un câble[4].
  2. En 2009, une équipe de Seattle a cependant remporté 900 000 US $ pour une machine fonctionnant avec des rayons laser ; source : Stephen Chen, « Un ascenseur pour l'espace », Courrier international no 1462, 8-14 novembre 2018, p. 43.

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,‎ , p. 682-683 (DOI 10.1126/science.151.3711.682, lire en ligne).
  4. a et b Stephen Chen, « Un ascenseur pour l'espace », Courrier international, no 1462,‎ 8-14 novembre 2018, p. 43
  5. Christophe Olry, « Ascenseur spatial : un rêve qui manque de solidité... », sur Futura-Sciences (consulté le 4 juin 2008).
  6. « Ascenseur spatial : un rêve qui manque de solidité… », Christophe Olry, futura-sciences.com, 23 mai 2006.
  7. « On the strength of the carbon nanotube-based space elevator cable: from nanomechanics to megamechanics »(ArchiveWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?) [PDF], sur ej.iop.org.
  8. a b c d e f g h et i Science et Vie no 1218, mars 2019, pages 92-99.
  9. (en) The Spaceward Foundation, « 2008 Tether Strength Competition », sur spaceward.org (consulté le 15 juin 2008).
  10. (en) Stephen Chen, « China has strongest fibre that can haul 160 elephants – and a space elevator? », South China Morning Post, Hong Kong,‎ (lire en ligne).

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Sur les autres projets Wikimedia :

Article connexe[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]