Ascenseur spatial

Ascenseur spatial - Définition et Explications

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Introduction

Diagramme d'un ascenseur spatial

L'ascenseur spatial est un concept de transport spatial entre la surface et une orbite autour de la Terre (ou une autre planète). Il se fonde sur l'idée d'un câble maintenu tendu par la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) centrifuge due à la rotation de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) sur elle-même. Pour être en équilibre, le câble doit s'allonger au-delà de l'orbite géostationnaire (L'orbite géostationnaire, abrégée GEO (geostationary orbit) est une orbite...) (36 000 km), à partir de laquelle la force centrifuge dépasse la force de gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...). Une fois en place, des nacelles montant le long du câble permettraient de rejoindre l'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) de façon plus économique qu'avec un lanceur ( Lanceur, terme de l'astronautique Lanceur, terme du baseball ) spatial classique comme une fusée (Fusée peut faire référence à :).

L'idée développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) dans les années 1950 s'est heurtée à de nombreuses contraintes technologiques, et en premier lieu à l'inexistence d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) à la fois suffisamment léger et résistant pour résister à la tension (La tension est une force d'extension.) engendrée par le propre poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) du câble. La découverte dans les années 1980-90 des nanotubes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...), dont les propriétés mécaniques théoriques pourraient être suffisantes, a relancé un certain intérêt pour le concept, qui reste cependant pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...) du domaine de l'utopie (L'utopie (néologisme de l'écrivain anglais Thomas More), synthèse des mots grecs...) ou de la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) fiction.

Histoire

Naissance du concept

Le concept d'ascenseur spatial (L'ascenseur spatial est un concept de transport spatial entre la surface et une orbite autour de la...) a été inventé par le pionnier russe de l'astronautique (L'astronautique ou spationautique ou cosmonautique, est constituée par l'ensemble des sciences...) Constantin Tsiolkovski (Constantin Edouardovitch Tsiolkovski (en russe ?????????? ?????????? ???????????) naît en Russie...) en 1895 . Sur le modèle de la Tour Eiffel (La tour Eiffel, initialement nommée tour de 300 mètres, est une tour de fer puddlé...), qui vient d'être achevée en 1889, il imagine une tour de 36 000 km de haut, qui permettrait d'amener par un ascenseur (Un ascenseur est un dispositif mobile assurant le déplacement des personnes (et des objets) en...) des charges en orbites.

Si le concept de l'ascenseur spatial a été vite relancé par Iouri Artsoutanov en 1960, il n'a été présenté qu'en 1978 au grand public par Arthur C. Clarke, dans son roman de science-fiction (La science-fiction, prononcée /sjɑ̃s.fik.sjɔ̃/ (abrégé en...) Les Fontaines du paradis. Il est aussi appelé tour orbitale (orbital tower en anglais).

Clarke décrit la construction, à partir d'une station spatiale (Une station spatiale, dans le domaine de l'astronautique, est une installation spatiale en orbite...), d'une gigantesque tour destinée à constituer un lien fixe entre la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) terrestre et un contre-poids en orbite géostationnaire. L'équilibre de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) est assuré en permanence, par la construction d'un autre élément de tour dans la direction opposée. Au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...), c'est une sorte de fronde de 72 000 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) de long qu'il faut réaliser.

Comme souvent, Clarke s'est inspiré de travaux scientifiques réels, en particulier ceux du soviétique Iouri Artsoutanov en 1957 et ceux que quatre américains (John D. Isaacs, Hugh Bradner, George E. Backus du Scripps Institution of Oceanography, et Allyn C. Vine du Wood's Hole Oceanography Institute) ont publié le 11 février 1966, dans la revue Science (Satellite elongation into a true « Sky Hook »).

En 1975 un autre américain, Jerome Pearson, propose d'adopter une structure en forme de long ruban, dont une extrémité jouerait elle-même le rôle de contre-poids. C'est devenu un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) de 144 000 kilomètres (38 % de la distance Terre - Lune) mais il n'est plus nécessaire d'arrimer aussi solidement la base terrestre de l'ouvrage (dans le roman de Clarke, la base de la tour est ancrée de plusieurs kilomètres dans le sous-sol).

Équilibre du système

Le système est en équilibre car la moitié du câble se situe au-dessus de l'orbite géostationnaire (environ 36 000 km de la surface terrestre) alors que l'autre moitié se trouve en dessous. Ainsi la moitié inférieure "tire" l'ensemble vers le bas à cause du poids du câble alors que la partie supérieure "tire" vers le haut ce qui crée une tension. L'extrémité du câble qui se situe dans l'espace n'est donc pas en orbite autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de la terre proprement dit, car sa vitesse (On distingue :) réelle est beaucoup plus élevée que le serait sa vitesse orbitale (La vitesse orbitale d'un corps céleste, le plus souvent une planète, un satellite naturel, un...). En fait si le câble était coupé (Un coupé est une voiture fermée, à deux portes (parfois trois avec hayon ou quatre comme l'ont...) il s'éjecterait dans l'espace à cause de la force centrifuge.

La remontée ou descente d'une cabine (Sur un bateau, une cabine désigne une pièce d'habitation pour une ou plusieurs personnes. Une...) n'affecte pas l'équilibre du système étant donné le poids total du câble et la tension très élevée de celui-ci, tellement tendu qu'il serait aussi rigide qu'un mur (Un mur est une structure solide qui sépare ou délimite deux espaces.).

Il est possible également de raccourcir la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) du câble en ajoutant un contre-poids au bout du câble dans l'espace (qui pourrait être constitué du lanceur qui a lancé initialement le câble).

Il faut bien imaginer la nature titanesque du projet, la longueur d'un câble de 72 000 km, correspondrait à six fois le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) de la Terre, et au quart de la distance Terre-Lune.

Arrivée des nanotubes

Concept de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...).

Pendant longtemps, l'idée a paru utopique, puisqu'il n'existait pas de matériau suffisamment résistant. Mais l'apparition des nanotubes, utilisant notamment les fullerènes, lui a redonné un certain crédit. Ainsi l'Agence spatiale européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est...) (ESA) et la NASA s'y intéressent désormais sérieusement. L'ascenseur spatial pourrait prendre la forme d'un long câble sur lequel circuleraient des navettes.

Brad Edwards, de la fondation californienne Eureka Scientific décrit en détail une méthode possible de construction d'un tel ascenseur (voir lien externe) :

  • Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) d'abord, on lance un engin spatial en orbite géostationnaire.
  • Puis celui-ci envoie vers la Terre un mince ruban (1 micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) d'épaisseur) présentant des caractéristiques mécaniques ad hoc (résistant et léger). Au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île...) et à mesure que le câble descend, le véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...) s'écarte de la Terre pour maintenir l'équilibre. Il atteint ainsi une distance de 72 000 km.
  • Une fois le premier câble amarré au sol, on s'en sert pour en mettre en place d'autres et constituer le câble définitif.

L'intérêt potentiel d'un tel système réside dans son faible coût de fonctionnement. Dans certains concepts, l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de freinage d'une cabine descendante peut même être récupérée pour propulser une cabine montante. Son inconvénient principal est sa vulnérabilité (En gestion des risques, la vulnérabilité d'une organisation ou d'une zone...) aux météorites, aux débris spatiaux, aux engins aériens ou même aux catastrophes naturelles.

Des calculs ont été effectués, et ont démontré que le câble de nanotubes en question devrait mesurer environ un mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du...) de large, être aussi mince qu'une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux...) de papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres...), et être apte à supporter une tension d'environ 63 GPa, équivalente à une joute de « souque à la corde » opposant 100 000 personnes de chaque côté.

Nicola Pugno de l'École polytechnique de Turin (Turin (Türìn en piémontais - Torino en italien) est une ville, chef-lieu de la...) fait cependant remarquer que les assemblages de nanotubes de carbone sur lesquels reposaient tous les espoirs ne seraient pas assez solides. Dans un article du Journal of Physics : Condensed Matter, il ajoute que, même dans le cas où l’ascenseur spatial pourrait être déployé, les micrométéorites et l’érosion par l’oxygène ne manqueraient pas de l’affaiblir.

Faisabilité

Initialement au stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...) de fantasme de science fiction, les récentes études sur les nanotubes ainsi que l'étude de faisabilité de la NASA rendent de plus en plus crédible la réalisation à terme d'un tel système. En effet, les processus de fabrication de nanotubes en grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) commencent à voir le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...), et la résistance des matériaux (La résistance des matériaux, aussi appelée RDM, est une discipline particulière...) constitués de nanotubes devient de plus en plus grande.

Il reste cependant à résoudre le problème des collisions avec les satellites actuellement en orbite, ainsi que celui de phénomènes de résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) inévitables sur une structure ayant un tel rapport entre longueur et taille. En particulier, la combinaison (Une combinaison peut être :) de l'inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un...) de l'axe de la Terre et de la présence de la lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du...) peut créer un balourd dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) fragilisant la structure.

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