Auteur: Serge Boisse
Date: Le 01/04/2023 à 13:04
Type: web/MOC
Tags: espace,aéronautique,spatial
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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 ascenseur spatial,  tour orbitale, 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 !

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

Et une autre en Français :