Aujourd’hui, l’exploration spatiale n’est pas seulement une idée mondiale, c’est un objectif que toutes les nations et leurs coalitions s’efforcent d’atteindre. La poursuite de l’exploration de l’espace, ainsi que la colonisation réussie des planètes, nécessitent un développement intensif des technologies qui peut entraîner l’apparition de nouveaux outils, moyens et méthodes de déplacement dans l’espace extra-atmosphérique. Les expériences qui contribuent au développement de ces technologies sont menées dans des stations orbitales telles que l’ISS ou Tiangong.
C’est pourquoi une grande partie de la recherche spatiale actuelle vise à améliorer la productivité de ces stations et de leurs équipages, ainsi qu’à réduire les coûts d’exploitation des stations et de maintien des ressources humaines. Nous examinerons ensuite l’un des projets les plus ambitieux dans ce domaine : l’ascenseur spatial.
Table des matières
La mission de l’ascenseur spatial
L’objectif principal de la construction d’un ascenseur spatial est de réduire le coût de l’acheminement du fret vers l’orbite terrestre. Le fait est que l’acheminement d’une cargaison vers la station orbitale au moyen de vaisseaux spatiaux de transport est très coûteux. Par exemple, l’un des vaisseaux spatiaux de transport de la NASA, développé par SpaceX — Dragon, nécessite pour son lancement des coûts d’environ 133 millions de dollars, alors que lors de la dernière mission («SpaceX CRS-9») le vaisseau était chargé de 2268 kg (5000 livres). Ainsi, si l’on calcule le coût par livre, il s’élève à 58 600 dollars pour 1 kg.
L’ascenseur spatial vu par un artiste
La livraison d’une bouteille d’eau d’un demi-litre à la Station spatiale internationale coûterait 27 000 dollars et celle d’une machine à café un demi-million de dollars. C’est pourquoi les organisateurs de l’exploration spatiale examinent attentivement la faisabilité des livraisons. Dans certains cas, il est nécessaire de limiter les recherches aux échantillons les plus importants, au risque de passer à côté de résultats intéressants. La réduction du coût financier de la livraison du fret en orbite terrestre permettrait non seulement de réduire la pression sur l’économie nationale, mais aussi d’élargir le marché du fret livré, ce qui pourrait avoir une incidence sur le progrès scientifique en général.
Bien que la construction d’un ascenseur spatial soit une entreprise assez coûteuse, son exploitation coûtera aux agences spatiales beaucoup moins cher que le lancement d’un vaisseau spatial de transport.
Conception et principe de fonctionnement
L’idée d’un ascenseur spatial a été exprimée pour la première fois par le fondateur de la cosmonautique théorique, Konstantin Edouardovitch Tsiolkovski, lorsqu’il a vu la Tour Eiffel. Il imaginait alors un ascenseur situé à l’intérieur de la plus haute tour. Aujourd’hui, le concept a été considérablement affiné et modifié. Le concept le plus répandu d’ascenseur spatial se compose de quatre parties principales et se présente comme suit.
La première partie est la base. Elle est située à la surface de la Terre, un câble y est attaché et c’est à partir d’elle que commence le levage de la cargaison. Elle peut être de deux types : mobile et fixe. Une base mobile, installée par exemple sur un navire de haute mer, permet de manœuvrer le câble à l’abri des éléments naturels tels que les ouragans et les tempêtes. Une base fixe est beaucoup moins coûteuse en raison de la longueur réduite du câble et de l’accès plus facile à une source d’énergie.
La deuxième partie importante de la conception est le câble lui-même, le long duquel les ascenseurs seront déplacés. Son extrémité doit passer par l’orbite géostationnaire, où tout objet tourne autour de la Terre à la même vitesse angulaire que la planète autour de son axe. De cette manière, les oscillations du câble seront minimisées. L’épaisseur du câble ne doit pas être uniforme, car la charge est différente dans chaque partie du câble. Ainsi, plus près de la surface de la planète, la structure devra supporter son propre poids (y compris le poids des ascenseurs chargés de marchandises), tandis que plus près de l’orbite du câble, elle devra équilibrer la force centrifuge exercée par la Terre.
La troisième partie de la structure est le contrepoids. Son but est de tendre l’amarre. Toutefois, à l’avenir, il pourra également être utilisé pour le lancement à distance de vaisseaux et de cargaisons spatiales vers d’autres planètes. Le contrepoids doit être situé derrière l’orbite géostationnaire, à une altitude supérieure à 144 000 kilomètres, et doit être un objet lourd, tel qu’un astéroïde ou même un dock spatial. Si le vaisseau spatial est libre de se déplacer à partir de la surface de la Terre grâce à un câble, il pourra acquérir une vitesse suffisante pour aller au-delà du système solaire.
Option de réalisation d’un ascenseur spatial
Le quatrième composant majeur de l’ascenseur spatial est l’ascenseur lui-même. Sa conception peut être représentée par un grand nombre de concepts, parmi lesquels nous pouvons souligner le principe de base du fonctionnement. Comme le montre le schéma présenté, deux forces agissent sur l’ascenseur : la force gravitationnelle et la force de Coriolis. La seconde résulte de la rotation de la Terre et, avec son aide, l’ascenseur agit sur le câble en le déviant. Dans le cas d’un ascenseur vertical se déplaçant à 200 km/h, le câble est incliné de 1 degré par rapport à la surface de la planète. Cet ascenseur nécessiterait une force pour le guider loin de la Terre, assistée par la force horizontale de Coriolis. Il est probable que les effets de l’électromagnétisme seront nécessaires pour générer une telle force verticale.
Problèmes de construction et solutions
Corde
L’un des principaux défis dans la création d’une telle structure est le câble. L’attribut le plus important du câble requis est une valeur élevée de son rapport résistance/gravité spécifique. En chiffres, la densité du câble doit être proche de celle du graphite (2,23 g/cm 3 ) et sa résistance doit être comprise entre 65 et 120 gigapascals. Malheureusement, par rapport à ce chiffre, la résistance des matériaux que nous connaissons est beaucoup plus faible. Par exemple, la résistance de l’acier est de 1 à 5 GPa, celle du Kevlar de 2,6 à 4,1 GPa et celle de la fibre de quartz d’environ 20 GPa. Aujourd’hui, les nanotubes de carbone sont les candidats les plus probables au rôle de matériau d’attache. En théorie, leur résistance peut même dépasser 120 GPa, mais lors des expériences menées, les nanotubes ont éclaté sous une charge moyenne de 30 à 50 GPa. Bien que les scientifiques américains de l’université de Californie du Sud soient parvenus à atteindre une résistance de 98,9 GPa, ils ont utilisé des nanotubes monocouches d’une longueur de 195 microns. La corde tissée avec des nanotubes aura une résistance nettement inférieure à celle des nanotubes eux-mêmes.
En plus du câble, il est possible d’utiliser ce que l’on appelle une barre omnibus qui conduit le courant électrique qui actionne l’ascenseur. Le papier graphène, récemment créé à l’université technologique de Sydney, peut servir de barre omnibus. La diagonale de ces feuilles de graphène atteint déjà aujourd’hui plusieurs dizaines de centimètres.
Obstacles naturels et artificiels
Le facteur naturel, représenté par divers changements météorologiques tels que la foudre et les vents violents, doit également être pris en compte. Une solution possible au problème peut résider dans la combinaison de qualités du câble telles que la résistance et la mobilité de la base, ce qui permettra d’éviter les menaces naturelles importantes et de faire face aux menaces mineures.
La sécurité de l’ascenseur spatial peut également être menacée par des objets artificiels tels que les débris spatiaux, qui se sont accumulés en quantités impressionnantes sur l’orbite terrestre. Une minuscule particule voyageant à grande vitesse peut causer des dommages importants à la structure ou détruire complètement l’ascenseur.
Source d’énergie
Selon les calculs, la mise en orbite basse d’une tonne de fret peut nécessiter jusqu’à plusieurs dizaines de gigawatts d’énergie. À titre de comparaison, la plus grande centrale nucléaire du monde (Kashiwazaki-Kariwa, Japon) produit 8,2 GWT, et l’un des moteurs à réaction les plus puissants, le RD-170 soviétique, 14,7 GWT.
Projet de tour canadienne
Un brevet récent de la société spatiale canadienne Thoth Technology décrit la conception d’une tour de 20 kilomètres de haut. La création d’un bâtiment d’une telle hauteur est possible grâce à l’utilisation de gaz comprimé à l’intérieur, qui donnera de la rigidité à la structure. Au sommet de la tour, la cargaison sera soulevée d’une manière connue. Au sommet de la tour, il y aura une rampe de lancement, d’où seront lancés les vaisseaux spatiaux dotés de l’équipement spécifié. Cette technologie permettra de réduire les coûts de carburant de 30 % par rapport au coût du carburant d’une fusée.
Conclusions
En résumé, il est difficile de mettre en œuvre les concepts d’ascenseurs spatiaux existants, en raison de l’absence de certaines des technologies requises, telles que les matériaux, les outils et les méthodes. En outre, le projet nécessitera un investissement financier considérable et des ressources humaines importantes. La probabilité que ce concept soit bientôt réalisé augmentera si un certain nombre de nations développées travaillent ensemble de manière coopérative.
Ce que l’on peut dire dès aujourd’hui, c’est que l’humanité a pour objectif de créer un ascenseur spatial et que de nombreux scientifiques du monde entier travaillent à son développement. Chaque année, des découvertes scientifiques dans ce domaine nous rapprochent de plus en plus de la réalisation d’un projet aussi ambitieux et de grande envergure que l’ascenseur spatial.
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Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023