Ascenseur Spatial

Ascenseur spatial

Diagramme d'un ascenseur spatial

L'ascenseur spatial est un concept de transport spatial entre la surface et l'orbite 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 le concept, qui reste cependant pour l'instant du domaine de l'utopie ou de la science fiction.

Histoire

Naissance du concept

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 36 000 km de haut, qui permettrait d'amener par un ascenseur des charges en orbites.

Si le concept de l'ascenseur spatial a été vite relancé par Iouri Artsoutanov en 1960 ^[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 ceux du soviétique Iouri Artsoutanov en 1957 et ceux que quatre américains (John D. Isaacs, Hugh Bradner, George E. Backus du Scripps Institution of Oceanography, et Allyn C. Vine du Wood's Hole Oceanography Institute) ont publié le 11 février 1966, dans la revue Science (Satellite elongation into a true « Sky Hook »).

En 1975 un autre américain, 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

Le système est en équilibre car la moitié du câble se situe au-dessus de l'orbite géostationnaire^{[réf. nécessaire]} (environ 36 000 km de la surface terrestre) alors que l'autre moitié se trouve en dessous. Ainsi la moitié inférieure "tire" l'ensemble vers le bas à cause du poids du câble alors que la partie supérieure "tire" vers le haut ce qui crée une tension. L'extrémité du câble qui se situe dans l'espace n'est donc pas en orbite autour de la terre proprement dit, car sa vitesse réelle est beaucoup plus élevée que le serait sa vitesse orbitale. En fait si le câble était coupé il s'éjecterait dans l'espace à cause de la force centrifuge.

La remontée ou descente d'une cabine n'affecte pas l'équilibre du système étant donné le poids total du câble et la tension très élevée de celui-ci, tellement tendu qu'il serait aussi rigide qu'un mur.

Il est possible également de raccourcir la longueur du câble en ajoutant un contre-poids au bout du câble dans l'espace (qui pourrait être constitué du lanceur qui a lancé initialement le câble).

Il faut bien imaginer la nature titanesque du projet, la longueur d'un câble de 72 000 km, correspondrait à six fois le diamètre de la Terre, et au quart de la distance Terre-Lune.

Arrivée des nanotubes

Concept de la NASA.

Pendant longtemps, l'idée a paru utopique, puisqu'il n'existait pas de matériau suffisamment résistant. Mais l'apparition des nanotubes, utilisant notamment les fullerènes, lui a redonné un certain crédit. Ainsi l'Agence spatiale européenne (ESA) et la NASA s'y intéressent désormais sérieusement. L'ascenseur spatial pourrait prendre la forme d'un long câble sur lequel circuleraient des navettes.

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 potentiel d'un tel système réside dans son faible coût de fonctionnement. Dans certains concepts, 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.

On compare ce concept à un autre ruban métallique qui semblait impossible il y a plus de deux siècles, le chemin de fer.^{[réf. souhaitée]}

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^[3].

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^[4]. Dans un article du Journal of Physics : Condensed Matter^[5], 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.

Faisabilité

Initialement au stade de fantasme de science fiction, les récentes études sur les nanotubes ainsi que l'étude de faisabilité de la NASA rendent de plus en plus crédible la réalisation à terme d'un tel système. En effet, les processus de fabrication de nanotubes en grande quantité commencent à voir le jour, et la résistance des matériaux constitués de nanotubes devient de plus en plus grande.

Il reste cependant à résoudre le problème des collisions avec les satellites actuellement en orbite, ainsi que celui de phénomènes de résonance inévitables sur une structure ayant un tel rapport entre longueur et taille. 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 fragilisant la structure.

Concours

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 soit au moins deux fois meilleur que le meilleur câble sur le marché. ^[6]

Fiction

Le concept d'ascenseur spatial apparaît dans un certain nombre d'œuvres de fiction :

• Dans les mythes :
  • Tjukurpa
• Dans les contes :
  • Jack et le Haricot magique
• Dans les romans :
  • Les Voyages de Gulliver, en anglais Gulliver’s Travels, de Jonathan Swift (1721).
  • La Toile entre les mondes de Charles Sheffield (1979)
  • Les Fontaines du Paradis de Arthur C. Clarke (1979)
  • La Trilogie de Mars (Mars la rouge 1992, Mars la verte 1993, Mars la bleue 1996) de Kim Stanley Robinson
  • L'Aube de la nuit de Peter F. Hamilton (1996)
  • La Cité du gouffre d'Alastair Reynolds (2001)
  • Old Man's War (Le Vieil Homme Et La Guerre) de John Scalzi (2005)
• Dans les mangas
  • Gunnm de Yukito Kishiro
  • Exaxxion de Kenichi Sonoda
  • Gundam 00
  • Zone of the Enders : Dolores, I
• Dans la BD :
  • Alvin Norge de Lamquet, où il est appelé "le Clarke"
  • Le Sommeil du monstre de Enki Bilal
  • Carmen McCallum - Dans le vide de Kirkwood de Gess et Duval
  • Sept prisonniers de Mathieu Gabella et Patrick Tandiang

• Dans les séries télévisées
  • Star Trek : Voyager, l'épisode Élévation (Rise) (1997)
• Dans les jeux vidéo
  • 2300 AD, Jeux de rôle par Game Designers' Workshop
  • Civilization: Call to Power et Civilization IV, jeux de stratégie sur ordinateur
  • Wonder of the World Contra: Hard Corps, le colonel Bahamut prend une cellule alien au-dessus de son ascenseur personnel spatial, afin d'employer sa puissance pour dominer le monde.
  • Front Mission: Gun Hazard, jeux vidéo par Square, comportant l'ascenseur spatial "A.T.L.A.S.".
  • Halo 2 et Halo 3, jeux vidéos par Bungie Studios, décrivant un ascenseur spatial dans "New Mombasa" en 2552 dont on voit les ruines dans les vidéos d'annonces d'Halo 3
  • Jovian Chronicles, un jeu de rôle par Dream Pod 9, incluant un ascenseur spatial martien.
  • Sid Meier's Alpha Centauri, jeux de stratégie sur ordinateur, où l'on construit un "Projet Secret" nommé "Ascenseur Spatial"
  • Syndicate Wars, un jeu vidéo par Bullfrog Productions, où se trouvait un ascenseur spatial vers la lune.
  • The Moment Of Silence, un jeu d'aventure point & clic sur ordinateur par The Adventure Company qui vous laisse monter dans un ascenseur spatial basé dans la ville de New York
  • Transhuman Space, jeux de rôle par Steve Jackson Games. Un premier ascenseur de l'espace construit sur Mars et le second, sur terre.
  • Mega Man X8, Jeux d'action par Capcom. Un ascenseur orbital connu sous le nom de "Jakob" est utilisé pour transporter les gens sur la lune.
  • Independence War or I-War, un jeu de simulation dans l'espace par Particle Systems Ltd. Plusieurs références à l'ascenseur spatial sont montrées dans le film d'introduction quand le Président King est transporté dans l'espace à bord d'une chenille.

Références

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. ↑ Christophe Olry, Futura-Sciences, « Ascenseur spatial : un rêve qui manque de solidité... ». Consulté le 4 juin 2008
4. ↑ (fr) Ascenseur spatial : un rêve qui manque de solidité...
5. ↑ (en) On the strength of the carbon nanotube-based space elevator cable: from nanomechanics to megamechanics [pdf]
6. ↑ (en) The Spaceward Foundation, « 2008 Tether Strength Competition ». Consulté le 15 juin 2008

Liens externes

• (en) Initiatives Technologiques inspirées de la Science Fiction (ITSF) selon l'Agence spatiale européenne
• (en) Elevator2010 Une fondation pour établir la faisabilité de l'ascenseur spatial
• (en) Quelques vidéos sur de premiers essais (en modèle réduit)
• (en) Bilan de l'étude sur l'ascenseur spatial menée par the NASA Institute for Advanced Concepts [pdf]

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