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Les japonais testent un ascenseur spatial miniature

— Actualités du 11 septembre 2018 —

Un ascenceur spatial permettrait de relier physiquement le sol à l’orbite géostationnaire. Il pourrait être utilisé pour déplacer des hommes et du cargo a un coût énergétique très faible. Les ascenseurs spatiaux ont leurs défenseurs et leurs détracteurs. Ce qui est sûr, c’est qu’ils risquent de rester dans le domaine de la science-fiction pendant encore longtemps. Mais cela n’empêche pas d’effectuer déjà quelques recherches à leur sujet. C’est l’intention d’une équipe japonaise de l’université de Shizuoka. Une fusée H-2B devrait décoller dans les heures ou les jours prochains pour emporter vers la station spatiale internationale un cargo japonais HTV. Il contiendra une expérience qui ressemble fortement à un ascenseur spatial miniature.

Le concept est encore relativement modeste. Deux CubeSats de 10 centimètres de côté seront déployés depuis la station spatiale internationale. Ils seront reliés entre eux par un câble de 10 mètres. Un petit chariot mobile pourra se déplacer d’un satellite à l’autre sur le long de ce cable. C’est un test à très petite échelle mais il s’agit tout de même du premier ascenseur complètement fonctionnel à être déployé dans l’espace. L’expérience sera enregistrée à l’aide de caméras placées sur les CubeSats aux deux extrémités. Il s’agit avant tout de vérifier si le comportement d’un ascenseur spatial est conforme aux prédictions en microgravité.

Le concept d’ ascenseur spatial semble beaucoup intéresser le Japon. En 2012, l’entreprise Obayashi Corporation avait annoncé vouloir construire un ascenseur spatial pour le milieu du siècle. Dans leur vision, un chariot se déplaçant le long d’un câble pourrait transporter une trentaine de personnes jusqu’à l’orbite géostationnaire en un peu plus d’une semaine. Les plans d’Obayashi Corporation font plus penser à un rêve qu’à un projet réaliste. La construction d’un ascenseur spatial nécessite de réaliser encore d’énormes progrès. On parle souvent des nanotubes de carbone comme le matériau idéal pour construire un ascenseur spatial, mais des millions de tonnes de nanotubes seraient nécessaires pour fabriquer un ascenseur spatial. Cela n’empêche pas les japonais de multiplier les expériences spatiales à base de filins. En 2016, la JAXA avait tenté de déployer un câble de 700 mètres depuis l’ISS et s’en servir pour désorbiter des débris spatiaux l’expérience n’avait malheureusement pas pu être mené correctement. On espère donc qu’ils réussieront avec leur mini-ascenseur spatial.

Qu’est-ce qu’un ascenseur spatial ?

Un ascenseur spatial est une structure physique qui relierait le sol à l’orbite et sur laquelle il serait possible de se déplacer. De nombreuses versions de ce concept ont été imaginées par des chercheurs et par des auteurs de science-fiction, comme dans le roman d’Arthur C. Clarke « Les fontaines du paradis » qui a popularisé l’ascenseur spatial auprès du grand public. Un rapport de recherche de la NASA sur l’ascenseur spatial a été publié en 1999.

Pour comprendre ce qu’est un ascenseur spatial, il faut imaginer une corde tendue verticalement entre l’équateur et l’orbite géostationnaire. Un peu au-delà de cette orbite, la corde serait attachée à une masse importante, par exemple un astéroïde, de manière à ce que le point d’équilibre de la structure complète se trouve précisément à l’orbite géostationnaire. Le système est théoriquement stable et n’a pas besoin d’énergie pour se maintenir. Illustration en vidéo :

Un ascenseur spatial, à quoi ça sert et à qui ?

Si on parvenait à construire une telle structure entre le sol et l’orbite géostationnaire, on pourrait y faire circuler des ascenseurs qui pourraient transporter des personnes, du matériel ou encore de l’énergie entre le sol et l’orbite. Ce qui rend ce type de structure très attrayante, c’est que le voyage aurait un très faible coût énergétique par rapport à l’utilisation d’une fusée. C’est le genre de technologie qui pourrait permettre de baisser le coût de l’accès à l’espace à une dizaine de dollars par kilogramme.

En plus de sa fonction de transfert entre le sol et l’orbite géostationnaire, on peut trouver plein de fonctions annexes à un ascenseur spatial. Il pourrait par exemple s’arrêter en orbite basse. Toutefois, les charges utiles laissées à cette altitude devraient encore fournir une accélération de quelques kilomètres par seconde par leurs propres moyens pour se satelliser. De même, en prolongeant l’ascenseur spatial plus loin que l’orbite géostationnaire, il est possible d’atteindre la vitesse de libération de l’orbite terrestre et donc de mettre des charges utiles sur une trajectoire interplanétaire. Accessoirement, l’ascenseur spatial pourrait faire office de relais de communication géant capable de couvrir les besoins de tout un hémisphère.

Le potentiel de l’ascenseur spatial est énorme si on arrive à le construire un jour. La plus haute structure artificielle est actuellement la tour Burj Khalifa à Dubaï qui culmine à 830 mètres. En théorie, avec les matériaux et les techniques de construction actuelles il serait possible de réaliser des ouvrages de plusieurs kilomètres de haut. Mais l’orbite géostationnaire se situe à presque 36 000 kilomètres au dessus du niveau de la mer. L’ascenseur spatial représente donc un défi majeur en terme d’ingénierie.

Comment construire un ascenseur spatial ?

Pour y arriver, il y a deux possibilités. On peut soit s’appuyer sur une structure compressive, c’est à dire une tour maintenue par son propre poids. C’est l’approche qu’avait envisagé Constantin Tsiolkovski lorsqu’il a imaginé l’ascenseur spatial. C’est même la Tour Eiffel qu’il l’avait inspiré. Ou alors on peut imaginer une structure qui repose sur des forces de tensions entre le sol et un contrepoids placé au-delà de l’orbite géostationnaire, comme une corde qui resterait tendue grâce à l’effet centrifuge. Dans les designs les plus récents, c’est la seconde solution qui est privilégiée, tout simplement car les matériaux les plus résistants connus présentent une bien meilleure résistance aux forces de tension qu’aux forces de compression.

Prenons par exemple deux des matériaux les plus résistants à l’heure actuelle : si vous souhaitez construire une tour en bord époxy, celle ci sera capable de supporter son propre poids en compression jusqu’à une hauteur de 122 kilomètres. A l’inverse, si vous suspendez une structure en plastique à renfort de fibre de carbone, celle-ci pourra supporter son propre poids en tension jusqu’à une longueur de 373 km. Dans les deux cas, on reste toujours loin de la hauteur nécessaire. Il pourrait être intéressant de combiner les deux approches en construisant à la base de l’ascenseur une tour de 3000 km reposant sur des forces de compression. Il serait alors possible de réduire la masse de la structure en tension d’un facteur 150. Mais il faut encore faire d’importants progrès sur les matériaux.

Idéalement, la structure centrale de l’ascenseur spatial doit être aussi légère que possible pour limiter le stress dû à son propre poids, et toutefois assez résistante pour ne pas rompre sous les incroyables forces en jeu : par exemple, dans un ascenseur spatial dont la structure est sous tension avec d’un côté la gravité qui tire et de l’autre l’effet centrifuge lié au contrepoids, cela correspond à une partie de tir à la corde dont chaque équipe accueillerait cent mille personnes.

nanotubes de carbone

Il y a quelques années, la découverte des nanotubes de carbone a démontrée que certains matériaux pourraient avoir la résistance nécessaire pour servir de support à un ascenseur spatial. Mais la production de nanotubes de carbone reste encore très expérimentale et limitée, or l’ascenseur spatial est une structure immense nécessitant de vastes quantités de matériaux. De même, construire l’ascenseur spatial n’est que le début du travail : il faut ensuite pouvoir l’entretenir. Un ascenseur spatial serait exposé aux conditions météorologiques dans ses parties les plus basses et aux micro-météorites et autres débris spatiaux dans ses parties les plus hautes. Mêmes les dégâts les plus infimes pourrait mettre en danger l’intégrité de la structure toute entière. En cas de rupture, les retombées sur les régions situées sous l’ascenseur spatial seraient catastrophiques.

Combien coûte un ascenseur spatial ?

Une des questions importantes qui détermine l’intérêt d’un ascenseur spatial reste sa rentabilité économique. L’ascenseur spatial pourrait faire baisser les prix de l’accès à l’espace à des tarifs similaires à ceux de l’aviation civile. Mais si on rajoute les coûts de fabrication et d’entretien, un ascenseur spatial serait obligatoirement un projet international regroupant les efforts économiques de nombreuses nations. Au regard de l’investissement nécessaire, il faudrait de très nombreuses années d’exploitation pour rentabiliser un ascenseur spatial. Il faut comprendre que le rôle d’un ascenseur spatial est assez spécifique : dans les designs les plus courants, seul l’orbite géostationnaire est desservi efficacement. En orbite basse, il faut fournir une accélération supplémentaire et le plan équatorial est loin d’être optimal pour les trajectoires interplanétaires. Enfin, si on parvenait à mettre au point des matériaux suffisamment résistants pour construire un ascenseur spatial, alors ces mêmes matériaux pourraient être utilisés pour fabriquer des fusées ultraperformantes et réutilisables, diminuant d’autant plus l’intérêt de l’ascenseur spatial.

Image ascenseur spatial

Un ascenseur spatial lunaire est un projet beaucoup plus réaliste. La gravité réduite de la lune permettrait de construire l’ascenseur avec des matériaux déjà bien maîtrisés, du kevlar par exemple. Un ascenseur dressé entre la surface lunaire et le point de Lagrange L1 du système Terre-Lune serait une méthode efficace pour extraire les précieux matériaux lunaires, par exemple pour la construction d’habitats spatiaux. On peut aussi imaginer des ascenseurs spatiaux beaucoup plus simples, pas entre le sol et l’orbite, mais entre différentes orbites. Par exemple en plaçant leur centre de masse en orbite basse une partie de l’ascenseur viendrait alors pendre juste au dessus de l’atmosphère, à 150 km d’altitude. Ainsi, il pourrait être joint par des fusées mono-étage de conception simple. Les charges utiles pourraient alors être libérées en orbite basse ou même sur des trajectoires interplanétaires puisqu’un tel ascenseur spatial n’aurait pas besoin d’être sur le plan équatorial.

Aller dans un ascenseur spatial

Les ascenseurs spatiaux vont probablement rester de la science-fiction pendant encore longtemps. Même si les matériaux nécessaires sont mis au point au cours des prochaines décennies, il y a peu de chances pour que l’intérêt économique pousse un corporation ou un état à le construire, surtout qu’à l’heure actuelle les fusées semblent enfin promettre la réduction du coût de l’accès à l’espace. Si la réutilisation tient toutes ses promesses alors il se passera probablement des siècles avant qu’on reparle du concept d’ascenseur spatial. Dans un avenir proche, d’autres concepts qui se rapprochent de l’ascenseur spatial pourraient être mise en oeuvre. C’est le cas par exemple de la propulsion captive qui utilise deux longs câbles pour changer l’orbite d’une charge utile à moindre coût.

Sources

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Credits :
Space elevator first image by NASA
Space Elevator In Clouds by Liftport [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], from Wikimedia Commons
Space elevator in motion viewed from above north pole, 13 May 2014 by Skyway
Nano carbon by German Wikipedia, original upload 29. Dez 2004 by APPER