L'Ascenseur Spatial

Ces pages tentent de rassembler tout ce qu'il est possible de trouver sur le web sur le sujet fascinant de l'ascenseur orbital, ou encore tour orbitale, ascenseur spatial, crochet du ciel, haricot géant, funiculaire des cieux, satellite ancré, échelle de Jacob (tous ces noms ne font que montrer l'embarras dans lequel on se trouve pour indexer ce qui pourrait bien être le projet le plus important de l'histoire de l'humanité depuis la conquête du nouveau monde).

L'ascenseur orbital (ou spatial), c'est quoi ?

Tout simplement cette idée géniale : pour mettre des satellites en orbite, pourquoi ne pas tout simplement... leur faire prendre un ascenseur ? En clair, imaginez un câble vertical, partant du seul en un point de l'équateur terrestre, et montant jusqu'au ciel comme une corde de fakir , maintenu en place grâce à la force centrifuge due à la rotation de la terre... Oui, un câble... mais quel câble ! il serait long de 100 000 Km, pas moins, et la partie située au delà de l'orbite géostationnaire (35800 Km) servirait de contrepoids en quelque sorte, pour équilibrer ce câble et le mettre en tension. Mais quelle tension ! plus de 5 tonnes au millimètre carré...

Et voila le principal problème : Pour construire un ascenseur spatial, nous avons besoin d'un matériau qui soit à la fois très léger et très résistant. Pour le moment, un tel matériau n'existe pas encore. Par exemple, si le câble était en métal il se romprait sous son propre poids. par contre s'il était en... diamant ça irait; mais aussi s'il était... en toile d'araignée ! Mais le matériau le plus prometteur semble être le carbone, sous forme de nanotubes ou de graphène.

Pour construire cet ascenseur, on procède "par le haut" : autrement dit, on lance en orbite géostationnaire un satellite constitué de deux grosses bobines de câble : on déroule l'une de ces bobines "vers le bas", c'est à dire vers la terre, jusqu'à ce qu'elle touche le sol en un point précis de l'équateur, où on l'amarre solidement. Simultanément, on déroule l'autre bobine "vers le haut", c'est à dire vers l'espace, où la tension due à la force centrifuge sert de contrepoids. C'est au niveau du satellite "bobine" que la tension est la plus forte : naturellement la section du câble est ici également la plus grosse : plus de cent fois la section au niveau du sol !

Contrairement à ce que que plusieurs auteurs (y compris celui d'un récent article de Science et Vie Junior) on laissé entendre, il n'est nullement besoin d'aller capturer un gros astéroïde pour servir de contrepoids. Le câble lui même en sera un excellent. Et la masse à lancer en orbite géostationnaire n'est pas si énorme que ça : vous pouvez la calculer vous même.

En effet, on peut imaginer de commencer par mettre en place un câble très fin, puis d'utiliser ce premier câble pour "hisser" progressivement en orbite des morceaux de câble plus gros. Avec des nanotubes de carbone de l'épaisseur d'un cheveu (au niveau du sol), cinq tonnes de ce matériau seulement suffiraient dans un premier temps pour construire un ascenseur "minimal" capable de soulever des charges de 100 Kg jusqu'à l'orbite géostationnaire. Nous sommes d'ores et déjà capables de mettre de telles charges en orbite avec ariane V ou Falcon Heavy (coût du lancement : : 100 M$ seulement). Ensuite, on renforcera progressivement le câble en l'utilisant pour "monter" des portions de câble de plus en plus grosses. Au bout d'environ cinq ans, votre ascenseur peut enlever des dizaines de tonnes jusqu'à l'orbite géostationnaire, pour un coût dérisoire : 10 euros le Kilo en orbite, voire moins. Plus besoin de fusées. L'humanité entrera alors véritablement dans l'ère spatiale.

A quoi ça sert ?

La plupart des gens ne comprennent pas à quel point un ascenseur spatiale pourrait être utile à l'humanité. Ils pensent "peuh, c'est juste un moyen de lancer des satellites pour moins cher". Ils ne raisonnent pas à la bonne échelle. L'ascenseur spatiale permettra, en moins de dix ans, de placer des millions de tonnes en orbite géostationnaire, et sans doute bien plus. De construire en orbite des vaisseaux spatiaux confortables et économiques, et de les ravitailler en carburant. D'explorer Mars, Jupiter, Titan. De construire une centrale solaire orbitale, qui pourra alimenter en électricité toute l'Europe avec zéro pollution. D'exploiter les ressources minières quasi illimitées des astéroïdes et donc de cesser de massacrer les sols de notre planète. Et encore, ce ne sont que quelques-unes des applications possibles.

Comment fonctionnerait l'ascenseur ?

Nous avons déjà dit que c'est la rotation terrestre qui assure la sustentation et la stabilité de la tour orbitale. Mais plutôt que de parler de tour, il veux mieux penser à un câble suspendu, tiré vers le haut par la force centrifuge de la partie qui se trouve au-delà de l'orbite géostationnaire. Et comment utiliser ce câble pour monter des charges jusqu'à cette orbite ?

Tout simplement à l'électricité : Les cabines "roulent" le long du câble à des vitesse de quelques centaines de km/h. Elles sont alimentées par l'electricité, : d'abord solaire (pour le câble minimal "bootstrap"), puis fournie par des conducteurs accrochés le long du câble "porteur" en carbone. Il est même possible d'envisager un système de pseudo contrepoids avec deux "cabines", l'une montante et consommant de l'énergie électrique, l'autre descendant en freinant avec des freins électromagnétiques qui fourniront la plus grosse partie de l'énergie nécessaire à la cabine "montante". Vu la longueur du parcours (35800 Km), une vitesse minimale de 500 Km/h, voire 800 Km/h est nécessaire si on ne veut pas trop s'ennuyer pendant la montée. Un sacré ascenseur...

Arrivée en haut, la cabine et son chargement ne pèsent plus rien. il suffit de laisser dériver ce dernier, ou plus vraisemblablement de l'accrocher à la gigantesque structure orbitale en croissance perpétuelle qui sera implantée là, et qui formera peut-être un jour comme un anneau autour de la planète.

Quel matériau utiliser pour le câble ?

Il doit être à la fois très résistant et très léger. En effet, la masse totale nécessaire pour ce câble est proportionnelle à la puissance 4ième du rapport densité/résistance du matériau utilisé. J'ai longtemps pensé que les nanotubes de carbone pourraient constituer le matériau idéal. Mais il est très difficile d'obtenir des longues fibres de nanotubes : Les plus longues qu'on ait produites ne dépassent pas quelques millimètres.

Un matériau peut être plus prometteur : le graphène imprimé en 3D, à la fois très léger et très résistant. Cf Un article sur ce matériau.

Enfin, la nature nous offre de merveilleux exemples de réalisations extraordinaires dont nous pouvons nous inspirer : c'est ce qu'on appelle le biomimétisme. Or il se trouve que la soie d'araignée est le matériau qui a le meilleur rapport résistance/densité connu. A moins que la Patelle ne la détrône...
J'ai créé un calculateur en ligne qui vous permettra de tester vous même quelles caractéristiques le matériau de câble devrait posséder.

Où se situerait le point de départ de l'ascenseur orbital ?

La station de départ sera forcément sur l'équateur, pour des questions de stabilité, et parce que l'équateur est juste en dessous de l'orbite géostationnaire qui est le point d'arrivée des charges utiles transportées par l'ascenseur..

De plus c'est là que l'ascenseur bénéficiera le plus de la force centrifuge due à la rotation terrestre. Ensuite ce n'est pas une mauvaise idée : les pays équatoriaux ont une météo clémente et presque pas de tempêtes et autres cyclones (contrairement aux pays tropicaux)

Mais pourquoi envisager une station fixe ? Une station sol mobile, un bateau par exemple, aurait plusieurs avantages : en déplaçant judicieusement la base du câble, on peut faire en sorte qu'il évite les débris spatiaux, et les orages.

Quels sont les problèmes ?

Ils sont nombreux ! Sinon on aurait déjà construit (au moins) un ascenseur spatial !

Le matériau : on doit arriver à en fabriquer plusieurs dizaines de tonnes, sans aucun défaut. Pour l'instant, on ne sait produire que des fils de quelques grammes de nanotubes de carbone, ou de graphène. Il y a donc un problème sérieux de science des matériaux
La stabilité. Même si la terre a 6377 km de rayon, ce qui est un "bras de levier" important, la stabilité d'un câble de 100 000 km de long, portant des charges en mouvement, n'est pas une chose facile à démontrer. Les calculs montrent cependant que cela fonctionnera.
Les tensions électriques : un câble (ou ruban) conducteur, de cette longueur constitue un très bon condensateur. Comme il est soumis (dans sa partie inférieure) au frottement de l'atmosphère terrestre, les tensions électrostatiques peuvent atteindre des dizaines de milliers de volts et les courants électriques résultants peuvent détruire le câble. Ce problème a des solutions, mais elles exigent une conception particulière.
Les vibrations Le câble (ou ruban), soumis à une tension colossale, va vibrer transversalement et longitudinalement. Ces vibrations se propagent à la vitesse du son dans le câble (environ 3000 km/h) et vont donc mettre plusieurs heures à se propager d'un bout à l'autre. Si l'on n'y prend pas garde, ces vibrations peuvent se cumuler et porter la tension dû câble au delà du point de rupture. La solution : monitorer en permanence, et ajuster la tension du câble en temps réel aux deux extrémités.
Les débris spatiauxTout le monde sait désormais que le proche espace est une vraie poubelle. La protection du câble contre les débris est donc un vrai problème. Elle peut être passive (en renforçant le câble pour les altitudes entre 150 et 500 km, ce qui ne l'alourdira pas tant que ça, ça ne représente que moins de 0,5% de sa longueur !) ou active, en déplaçant la base du câble pour lui faire éviter les plus gros débris, et en l'équipant de détecteurs radar (par exemple tous les 20 km) pour détecter les débris les plus petits
Le risque terroriste. Il existe évidemment. Les contre-mesures sont classiques et connues.
Et en cas de rupture ?. Contrairement à une idée répandue, la rupture du câble ne détruirait pas tout ce qui se trouve sur l'équateur terrestre ! En effet, Envisageons le pire des cas : la rupture au niveau de la station géostationnaire. il faut se rendre compte que la partie du câble située entre la terre et cette station ne représente pas une masse si énorme que cela (quelques dizaines ou centaines de tonnes), et que de plus cette masse est répartie sur une longueur de 36000 km : chaque kilomètre de câble ne pèse que quelques centaines de grammes ! Le plus probable est qu'en cas de rupture, personne ne souffrira de la chute du câble lui-même : en revanche, il n'en n'est pas de même pour les charges utiles transportées dans les cabines : celles-là retomberont effectivement sur la terre (sur l'équateur ou à proximité), donc avec une probabilité de 70% dans l'océan. Mais bon, les parachutes, ça existe.

En conclusion, rien n'est insurmontable.

Combien ça coûte ?

Je prétends que si on y mettait réellement les moyens (1000 M€ au total, c'est pas la mer à boire), il serait possible de construire l'ascenseur orbital d'ici quinze à ving ans. Alors, qui lancera une "start up" avec moi pour le faire ?

Plus d'infos...

En anglais : je cite A. C. Clarke, inventeur du concept, et qui visiblement peinait à lui donner un nom :

The Russian inventor used the charming 'heavenly funicular'. American writers have contributed 'orbital tower', 'anchored satellite', 'beanstalk', 'Jacob's Ladder -- and, of course, 'Skyhook'. I prefer 'space elevator'; it is euphonious (at least in English) and exactly describes the subject.

Je suis désolé, mais toute la littérature sur le sujet est en anglais. Si j'ai le temps, je traduirais ici quelques uns de ces articles.

Space elevators : une introduction rapide sur le sujet
The Space Elevator: Thought Experiment, or Key to the Universe? by Arthur C. Clarke (Address to the XXXth International Astronautical Congress, Munich, 20 September 1979).
The Orbital Tower by Jerome D. Rosen. About how a beanstalk could be built.
Using Mechanosynthetic Assemblers to Build an Orbital Tower by Jerome D. Rosen (in The Assembler, First Quarter 1996).
Space Elevator:Une étude complète par des étudiants de l'universite de Delft. Tout y est !

calculez vous même les paramètres de la tour orbitale !

Voici une vidéo sur le sujet de l'ascenseur spatial : (en anglais)

Enfin un point de vue "élargi" sur ce genre de sujet et les sujets connexes : les Hypertechnologies

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Commentaires (16) :

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yuropp Le 08/04/2019 à 21h24	Reste un "léger" problème non anticipé par A. Clarke : un tel câble aurait un "passager clandestin" : l'atmosphère, qui se ferait la malle, lentement mais surement… les molécules gazeuses adsorbées sur le câble se retrouveraient réparties sur toute sa longueur, pour se retrouver éjectées par effet de fronde. Difficile de dire combien de temps il faudrait, mais, à l'échelle de l'histoire de l'humanité, ça risque de faire court. Si quelqu'un a une solution…
paranthrope Le 10/04/2012 à 20h51	Bonjour! Même si moult problèmes techniques s'opposent encore à ce projet (l'espace autour du globe est une vraie décharge, faut faire le ménage, puis les nano-trucs sont encore au stade du rêve, et le coup du paratonnerre géant c'est moyen, ...), je suis totalement pour!! J'ai même le site idéal: Nauru! C'est quand vous voulez pour la start-up!! Bien à vous.
regisafre Le 30/12/2011 à 00h21	mais j aimeré vraimen voir séte ascenceur
regisafre Le 30/12/2011 à 00h19	ses bien mais si on le détruit sava faire des déca sur toute la surface de la terre comme ses le plu grand cable du monde si il lache on va avoir une pluis de débit de lasceuseur qui va faire des ravage sur toute la planéte il réste ra que des débri mécani partou
Nemerelfe Le 21/05/2011 à 19h02	Désoler mais je peu briser le rêve de l’ascenseur spatial a câble ? Le premier taré qui tend un câble du sol à l’espace fait tout pété. Je vais faire simple. Vous connaissez les condensateurs ? Une borne + ; une borne – ; et une résistance entre les 2. Ionosphère + ; le sol est la masse donc - ; aire 60km minimum entre les 2. Nous avons un + ‘infini’ avec un – ‘infini’ et 60km d’aire. Sachant qu’il y a un 5 million d’éclaire par jour [wiki] qui font office de fuite dans le ‘condensateur’. Si on fait passer un câble (juste un peu plus conducteur que l’aire, déjà que l’aire ce n’est pas suffisant) entres ses 2 infini. Je laisse a votre imagination la suite ^^. Âpres on peu utiliser d’autres techniques pour l’ascenseur, propulsion laser par exemple [coi-que l’aire ioniser sur son passage risquerait de faire le même scénario].
Nico Le 09/12/2010 à 12h40	@Serge : Ce que je voulais dire, c'est que si la mise en œuvre de l'ascenseur implique la suppression des satellites, alors le principal intérêt de l'ascenseur (envoyer des satellites sans fusées), n'existera plus. Sinon pour ta solution : "Une solution consiste à mettre la base du câble sur une plate-forme flottante que l'on déplacerait lorsqu'il existe un risque de collision immédiat avec un satellite ou un débris spatial identifié. ", tu mettrais la base du câble côté terrestre sur une plateforme ? Je comprends pas trop comment ca marche là... J'ai une question bête, quel est l'ordre de grandeur de la masse totale du câble ?
Serge Boisse Le 08/12/2010 à 21h36	@niko : Le problème des débris spatiaux est effectivement le problème majeur de l'ascenseur orbital. c'est même pire que ce que vous dites car l'orbite de TOUS les satellites coupe l'équateur. Mais il n'est pas nécessaire de les enlever ! Une solution consiste à mettre la base du câble sur une plate-forme flottante que l'on déplacerait lorsqu'il existe un risque de collision immédiat avec un satellite ou un débris spatial identifié. De plus vous vous trompez sur un autre point lorsque vous dites "pour que quelques touriste bien friqués puissent faire un saut en parachute ou un tour dans l'espace.". Cela va bien au delà ! Le but de l'ascenseur orbital est de supprimer TOUS les lanceurs à fusée, genre ariane, et de commencer véritablement l'ère spatiale en colonisant l'orbite géostationnaire. Avec un ascenseur spatial, ce sont des millions de tonnes, et des milliers de personnes, que l'on va pouvoir installer dans l'espace, en créant des usines, des laboratoires, des observatoires, etc. dans l'espace. C'est tout simplement le début d'un nouvel âge pour l'humanité, et les retombées économiques pour les terriens seront immenses, bien supérieures au coût du projet.
Nico Le 07/12/2010 à 21h40	Faudrait aussi arrêter la plupart des satellites car la trajectoire de la plupart d'entre eux coupe justement l'équateur. Faudrait donc voir avec l'armée si ca les enchante de supprimer le GPS pour que quelques touriste bien friqués puissent faire un saut en parachute ou un tour dans l'espace. Donc si on enlève la plupart des satellites et leurs services rendus, même si le projet est réalisable, 1000 M€ ca fait quand même cher. Surtout que bon, on a ptet des problèmes d'énergie sur terre, mais je vois par ma fenêtre des milliers de lumières multicolores consommant des MWh à perte. On ferait mieux d'investir 1M€ pour lutter contre la bêtisé, ca serait plus rentable et surtout bien plus facile.
whalou Le 28/02/2009 à 03h38	avis personnel je ne pense pas que la glace poseras un réelle problème surtout si des cabine ou compartiment monte et décende tout les jours se qui seras fait a coup sur quand on réaliseras un telle projet après ce genre de projets peu devenir réellement exagéré rien que pour les problèmes environnemental lier a l'énergie tu place des centaines de kilomètre de panneau solaire dans l'espace qui profiterons d'un ensoleillement presque permanent et nos prob d'énergie sur terre son résolu :p après le réelle prob reviens a ou faire un telle projets car personnellement je serais président d'un pays équatoriale un telle projets est atrailant niveau économique mais dangereux car sa serais des pays riche qui financerais un telle projet et donc le pays finirais vite par devenir un colonie voir faire partie complètement de l'état pour sécuriser l'ascenseur orbital
RRR... Le 13/12/2008 à 00h33	Moi je cherchais simplement la réalité relative entre la vitesse et le temps orbital...face à la réalité terrestre... Ne voyons nous pas ... les satellites à un moment T de notre ère terrestre alors qu'il se situe à un moment M de sa propre réalité ???
Pseudo Le 15/11/2008 à 18h07	Message : Bonjour, J'ai vu un article US qui reprochait la possibilité de déclencher des phénomènes de propagation d'énergie électromagnétique entre les couches hautes de l'atmosphère et la terre, du genre éclairs... génants !
pseudo Le 03/11/2008 à 22h30	Bonjour, Vous avez raison ! C'est pourquoi personne n'a parlé d'amarrer le cable entre la terre et la lune :-) La force centrifuge suffit à le faire tenir, s'il est assez long...
Ertis Le 20/10/2008 à 20h53	Mmmmh, c'est peut-être bête ce que je vais dire mais, la terre et la lune tournent toutes deux sur elles-mêmes. Si on tend un câble entre les deux et qu'on l'amarre, il finira forcément par se rompre, non? Peut-être en faisant "voler" le câble (6 fois plus de poids sur la lune que sur la terre) mais ça me semble encore plus fou. A tchao
Bernard Le 07/10/2008 à 17h52	Bonjour, On peut imaginer que sur les 20 ou 30 premiers km vers la terre, des ballons viennent soutenir le cable et le rendre auto-porteur. Avec un supplément de quelques centaines de kg de portance répartis, on pourrait déjà monter des parachutistes ou des touristes pour pas grand chose, à au moins 10km :-) A bientôt !
Serge Boisse Le 30/08/2008 à 14h55	En fait la glace éventuelle ne rajouterait qu'un surpoids minime. Mais la résistance aux intempéries est un problème : il ne faut pas que le câble s'use ! Quand au terrain, il faut absolument qu'il soit sur l'équateur, dans un coin où il fait beau donc, et stable politiquement... AC Clarke avait proposé Bali...

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