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L’ascenseur spatial : rêve ou réalité ?

D’Arthur C. Clark en 1979 à Liu Cixin en 2016, l’ascenseur spatial est un véritable mythe technologique en littérature de Science-Fiction. Et pourtant, les progrès technologiques implémentés depuis le début des années 2000 rendent cette éventualité de plus en plus tangible ! Mais qu’est-ce donc exactement qu’un ascenseur spatial et quels sont ces défis qu’il semble remporter peu à peu ?

S’arracher à l’attractivité terrestre, ça demande énormément d’énergie et ça coûte exceptionnellement cher. Raison pour laquelle l’ascenseur spatial est une solution intéressante. Il permettrait en effet de s’affranchir à terme d’une partie de ces coûts.

Les projets d’ascenseurs spatiaux offrent notamment un très  fort potentiel d’économies d’échelle en matière de satellisation d’objets ou de construction spatiale. Souvent en association avec une station spatiale, ils ont l’ambition de concurrencer financièrement les fusées actuelles.

Que faut-il pour faire un ascenseur spatial ?

  • Atteindre l’orbite géostationnaire

C’est le pionner spatial russe, Konstantin Tsiolkovski qui se penche en premier, en 1895, sur un projet de tour capable d’atteindre 35 790 km de haut.

Cette altitude n’est pas arbitraire et correspond en réalité à l’orbite géostationnaire. Rotation terrestre et force de pesanteur s’y compensent très exactement. Résultat : tout objet en orbite géostationnaire se retrouve en état d’impesanteur.

Impesanteur ou apesanteur
État d’un corps dans lequel l’ensemble des forces gravitationnelles et inertielles auxquelles il est soumis possède une résultante et un moment résultant nuls. C’est le phénomène ressenti en l’absence de pesanteur, quand l’accélération subie égale la gravité : chute libre, orbite libre autour de la Terre…

Définition de Futura Sciences

Toutefois, dans la mesure où réaliser une tour de plus de 10 km de haut n’est toujours pas possible en 2020, le projet ne va pas plus loin. Jusqu’à ce que l’américain Jerome Pearson propose, en 1975, une nouvelle formule qui implique de :

  1. Placer un satellite en orbite géostationnaire
  2. Déployer vers la Terre un câble qui permet de faire circuler des navettes et qui se déplacerait avec une révolution égale à celle de la Terre
  3. Déployer dans la direction opposée un câble équivalent en poids pour faire contrepoids et stabiliser l’ensemble

Seul petit problème : le poids du deuxième câble diminue drastiquement à mesure que l’on s’éloigne de la Terre. Pour assurer le contrepoids, il faut donc augmenter significativement sa longueur, lui conférant ainsi une longueur totale de 108 000 km ! Soit 1/3 de la distance Terre-Lune.

  • Un rêve pas si inaccessible

Une fois encore, en l’absence de matériau suffisamment résistant, le projet reste de la science-fiction magnifiquement illustrée en 1979 par Arthur C. Clarke dans Les Fontaines du Paradis.
Sa « tour orbitale » de 72 000 km de long bénéficie à la fois d’un ancrage sous-terrain d’ampleur sur Terre et d’une station spatiale servant de pivot en orbite géostationnaire. L’équilibre d’ensemble est de plus assuré par la duplication de toute construction de chaque côté du câble (Terre et Espace).

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Les choses bougent toutefois plus sérieusement avec l’apparition des nanotubes de carbone dans les années 90. La NASA commence alors, au début des années 2000, à s’emparer sérieusement du projet. Mieux, elle considère désormais sa faisabilité comme non nulle. Et ce en dépit de la même pléthore d’obstacles qu’en 1875.

Quelles sont les principales limites technologiques ?

Une série d’obstacles se dresse sur la route d’un éventuel ascenseur spatial. Pour faciliter les choses, ces derniers ont de plus tendance à être interdépendants.

  • Un câble soumis à de multiples agressions potentielles

Engins aériens et spatiaux, débris spatiaux, rayonnement cosmique et autres météorites peuvent impacter un ascenseur spatial. Sans parler des catastrophes naturelles terrestres ou de la corrosion atmosphérique générée par l’oxygène entre 60 et 800 kilomètres d’altitude.

Dans ce cadre, la décharge spatiale entourant la Terre place d’ores et déjà plus de 167 millions de débris sur la route d’un éventuel câble. Cela représente au quotidien une dizaine d’impacts d’objets de moins de 10 cm. Et, sur une base hebdomadaire à annuelle, un minimum de 29 000 objets capables de sectionner le câble.

  • La stabilité

Un ascenseur spatial ancré sur Terre, même construit dans une zone épargnée par les ouragans, serait naturellement impacté par les vents rapides des hautes couches de l’atmosphère ou la force de Coriolis. Deux phénomènes vecteurs d’oscillations longitudinales et transversales conséquentes. Pire, ils peuvent même agir en sens inverse de la rotation terrestre.

Deux solutions s’imposent alors :

  • Limiter la vitesse de croisière des ascenseurs à 200 km/h pour éviter d’aggraver les oscillations. Les cabines mettraient environ 7 jours pour arriver à destination. À 60 km/h, le même trajet dure 25 jours.
  • Doter la structure d’une capacité de manœuvre. Que ce soit à partir d’une base terrestre au moins partiellement mobile ou bien à l’aide de moteurs de stabilisation de la cabine.
  • Le contrepoids

Équilibrer attraction gravitationnelle terrestre et force centrifuge/accélération d’entraînement implique de doter le câble Terre-Orbite géostationnaire d’un contrepoids soit extrêmement lourd, soit extrêmement long.

Ce qui peut aboutir à des chiffres absurdes :

  • pour le Professeur Moustache dans Tu mourras moins bête, un câble équilibré de 36 000 km devrait faire 2 km de diamètre en orbite et 1 mm au sol.
  • Un câble plus régulier et plus long irait de 72 000 km à plus de 100 000 km. Sa longueur augmente toutefois sa sensibilité à d’autres limites, notamment sa résistance d’ensemble.
  • Les matériaux

Pour affronter cette première palette de problèmes, il est indispensable de recourir à des matériaux à la fois solides et légers. C’est-à-dire suffisamment solides pour affronter les petits impacts quotidiens et les gros impacts ponctuels ; mais suffisamment légers pour supporter leur propre poids étalé sur des dizaines de milliers de kilomètres.

Dans ce contexte, les nanotubes de carbone sont présentés comme une des meilleures options. Ils ont en effet la particularité d’être dix à vingt fois plus résistants que le meilleur acier et six fois moins denses.
Mais, ils ne s’assemblent pas très bien : le record actuel est de… 70 cm.

Récemment, les nanofils de carbone sont entrés dans la danse. Jugés moins capricieux, il n’en sont encore qu’à la phase expérimentale.

  • L’habitabilité

Le rayonnement cosmique pose également problème pour tout trajet habité.
Les solutions actuelles envisagent des blindages au plomb ou à l’eau qui rajoutent un poids non négligeable aux cabines. Et ce, sans même parler de la praticité d’être enfermé une semaine dans un endroit confiné. Ni des problématiques (ou consignes) de sécurité en cas d’impacts graves ou de rupture du câble.

  • Le coût total

Plusieurs points sont ici à observer.

D’une part, le coût de construction d’un appareil aussi massif qu’un ascenseur spatial, sachant que l’ISS seule a coûté la bagatelle de 150 milliards de dollars. Et elle n’a pas été construite en nanotubes de carbone dont le prix au kilo atteint les 100 000 € !

D’autre part, le coût d’envoi d’une cabine et d’entretien quotidien est à prendre en compte dans l’amortissement et le coût final du projet. Notamment, si l’ascenseur spatial ne parvient pas à recourir à une source énergétique moins chère que le carburant actuellement utilisé pour les fusées.

Face à toutes ces contraintes, se pose naturellement la question : quels sont donc exactement les avantages d’un ascenseur spatial qui justifient que les scientifiques continuent de se frotter encore et toujours à ce projet de S-F et à ses nombreuses chausse-trappes ?

Les avantages d’un ascenseur spatial

  • Gain d’énergie

Le coût moyen d’un lancement de fusée semble aujourd’hui tourner autour de 100 millions de dollars, que ce soit pour le Falcon 9 de SpaceX ou la fusée Ariane. Principalement à cause des quantités exceptionnelles de carburant qu’elles doivent embarquer.

Pendant longtemps, il était question pour l’ascenseur spatial de recourir à des panneaux photovoltaïques à haut rendement. Ils auraient été alimentés en continu par un faisceau laser ultrapuissant dirigé depuis le sol.

« Mais la dissipation du rayon dans l’atmosphère est considérable : il faudrait donc prévoir une centrale thermique de 300 MW, c’est-à-dire une petite centrale nucléaire. »

Christophe Bonnal, expert systèmes au Centre national d'études spatiales (Cnes)

Par conséquent, les derniers projets en date, notamment de l’International Space Elevator Consortium (Isec), envisagent de déployer 70 terrains de football de panneaux photovoltaïques classiques.
Ils prendraient le relais d’une autre source de propulsion (moteur électrique, batterie…) une fois la cabine à l’abri des principales turbulences atmosphériques passée la limite de Kármán (au-delà de 100 km).

  • Gain financier

Une cabine de sept tonnes pourrait à terme transporter une charge utile de treize tonnes pour un coût moyen avoisinant les 200 $ par kilo. Or, si les fusées actuelles peuvent envoyer de neuf à vingt-deux tonnes de matériel, elles le font de fait pour un coût moyen bien supérieur de 4000 $ par kilo.

Un tel coût serait rendu possible principalement grâce à la fréquence des envois. Elle serait en effet bien supérieure à celle des fusées, même avec un trajet de 7 à 25 jours selon la vitesse des cabines.

  • Accessibilité du reste de l’espace

Outre les atouts de l’orbite géostationnaire pour construire directement dans l’espace satellites, stations et autres navettes spatiales, des expéditions vers la Lune et Mars deviennent de fait infiniment plus accessibles.

Et ce grâce au pouvoir de la force centrifuge qui confère un élan précieux pour les économies d’énergie. Cet élan prend, en effet, le relais pour la Lune à partir de 45 000 km et à partir de 54 000 km pour Mars.

https://www.lexpress.fr/actualite/sciences/l-ascenseur-spatial-n-est-pas-encore-pour-demain_2031534.html
Infographie par Science et Vie (DR-ESA/SA/NOVAPIX)

Quel état des lieux actuel ?

  • Premiers projets « sérieux »

Dans les années 2000, la NASA imagine un ruban plat d’un mètre et aussi mince qu’une feuille de papier.
Composé de fibres de nanotubes de carbone tressées, il serait apte à supporter une tension d’environ 63 GPa. D’après Science et Vie, c’est « l’équivalent d’un jeu de tir à la corde avec 100 000 concurrents de part et d’autre ».

En 2010, l’International Space Elevator Consortium (Isec) est fondé.
Ses ingénieurs envisagent alors un système composé de deux câbles parallèles. L’un pour la circulation habituelle des navettes et l’autre pour redescendre les ascenseurs stockés en orbite géostationnaire. Ce dernier servirait également pour effectuer entretien quotidien et réparations du câble principal. Encore plus étonnant en termes de faisabilité, le projet ne coûterait que… 10 milliards de dollars.

En 2014, Obayashi (géant japonais de la construction) paraît franchir un pas de géant.
Il annonce en effet pouvoir déployer d’ici 2050 et pour 80 milliards de dollars, un câble de 96 000 km. Équilibré par un contrepoids, il serait en mesure de porter une cabine de 18 m sur 7,2 m pouvant accueillir 30 personnes. Ils estiment avoir besoin d’une vingtaine d’années pour « renforcer 510 fois la fibre de carbone initialement déployée par des allers-retours successifs de cabines de plus en plus imposantes ».

  • Premiers tests

Enfin, 2018 et 2019 ont vu se concrétiser les premières expériences concrètes en situation réelle.

En septembre 2018, la Jaxa (agence spatiale japonaise) et Obayashi testent en conditions réelles un modèle miniature. Composé de 2 satellites de 10 cm reliés par un câble de 10 m, il permet d’observer le comportement en impesanteur d’un conteneur simulant une cabine d’ascenseur.

Le 29 octobre 2019, le projet STARS-Me étudie en état d’impesanteur l’efficacité d’un ascenseur monté sur des roues pressant le câble de part et d’autre.

« Pour construire une telle structure dans l’espace, un certain nombre de paramètres étaient considérés auparavant comme bloquants. Ils ne le sont plus aujourd’hui. Même si les défis restent gigantesques, je me garderai bien d’affirmer qu’un tel projet n’est pas faisable. »

Christophe Bonnal, expert systèmes au Centre national d'études spatiales (Cnes)
  • L’ascenseur lunaire

Si un ascenseur spatial semble, pour certains aspects, bien moins irréalisable qu’auparavant, ce n’est pas le seul projet en mesure de concurrencer les fusées. En effet, quitte à devoir générer un câble dont la longueur représente 1/3 de la distance Terre-Lune, pourquoi ne pas partir directement de la Lune ?

Faible gravité, peu de débris spatiaux, possibilité de câble moins résistant en Kevlar… Ce projet qui se développerait depuis une station lunaire encore à construire est également très intéressant. Même si certaines contraintes restent bien présentes, telles que l’habitabilité ou le coût total.

Néanmoins, la création d’une économie dite cislunaire permettrait à terme de véritables économies d’échelles et offrirait les mêmes avantages qu’une station spatiale en orbite géostationnaire.

À noter toutefois, comme dernier pied de nez à ces projets exceptionnels, que la coopération politique et internationale qu’ils requièrent est encore loin d’exister.

De plus en plus proche, mais toujours aussi loin, l’ascenseur spatial a encore de nombreux verrous technologiques et pratiques à faire tomber pour passer de la théorie papier à l’expérimentation pratique et de l’expérimentation pratique à sa concrétisation !

Ce qu'il faut retenir

Grosso modo, pour réaliser un ascenseur spatial il faut prévoir :

  • Un point d’ancrage terrestre
  • Un très long câble solide (de 36 000 km à plus de 100 000 km)
  • Un pivot en orbite géostationnaire
  • Un contrepoids au câble déployé sur 36 000 km entre la Terre et l’orbite géostationnaire

Les obstacles à sa réalisation sont bien connus :

  • Les vecteurs d’impacts, tels les débris spatiaux
  • Les vecteurs d’oscillation, tels les vents terrestres
  • La difficile création d’un contrepoids permettant de stabiliser l’ensemble autour d’un pivot géostationnaire
  • Les matériaux suffisamment résistants pour construire le câble
  • La sécurité d’utilisateurs humains
  • Le coût total qui peut être faramineux

Toutefois, de nombreuses agences spatiales et entreprises considèrent le projet comme réalisable d’ici 2050. Même si sa concrétisation en est encore aux balbutiements des tests en miniature.

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