L`ascenseur spatial : est

L’ascenseur spatial :
est-il réalisable ?
 Un ascenseur spatial pour remplacer la navette
http://www.lepoint.fr/actu-science/un-ascenseur-spatial-pour-remplacer-la-navette01-03-2011-1301008_59.php
 Ascenseur spatial : C'est pour bientôt ! (… ??)
http://www.besoindesavoir.com/article/576775/ascenseur-spatial-est-pour-bientot
 L’ascenseur spatial est-il réalisable ?
http://www.traqueur-stellaire.net/2010/12/ascenseur-spatial-faisabilite/
 L’ascenseur a du mal à prendre son envol !
http://www.rue89.com/2009/02/05/lascenseur-spatial-a-du-mal-a-prendre-son-envol
 Calcul des caractéristiques du câble
http://fr.wikipedia.org/wiki/Discussion:Ascenseur_spatial
 Page Web permettant le calcul automatique des caractéristiques du câble
http://sboisse.free.fr/technique/calcule-tour-orbitale.php
 Un ascenseur spatial
http://icietmaintenant.fr/SMF/index.php?topic=5530.0
 L'ascenseur spatial, un rêve qui pourrait devenir réalité
http://www.rtflash.fr/l-ascenseur-spatial-reve-qui-pourrait-devenir-realite/article
Un ascenseur spatial pour remplacer la navette
http://www.lepoint.fr/actu-science/un-ascenseur-spatial-pour-remplacer-la-navette01-03-2011-1301008_59.php
Le Point.fr - Publié le 01/03/2011 à 15:15 - Modifié le 01/03/2011 à 15:16
Un monte-charge qui s'élèverait à 35 000 kilomètres : ce projet vieux d'un siècle pourrait
aboutir dans 10 à 20 ans.
C'est une idée ancienne qui refait surface : l'ascenseur spatial. N'y voyez pas une blague
d'ingénieur voulant se payer la tête d'un journaliste, mais une idée sérieusement étudiée par
la Nasa et par plusieurs instituts de recherche, notamment aux États-Unis et au Japon.
Imaginez un monte-charge s'élevant le long d'un câble de 35 000 kilomètres jusqu'à une
plate-forme spatiale placée en orbite géostationnaire. Et pour tendre ce câble, un
contrepoids fixé, lui, à 100 000 kilomètres du sol. N'oublions pas qu'en tournant, la Terre
crée ce qu'on appelle la force centrifuge. Le câble se tend alors comme les lanières d'une
fronde en rotation. Cette idée naît en 1895 dans l'esprit génial du pionnier russe des vols
spatiaux, Konstantin Tsiokovsky. Lors d'une visite à la tour Eiffel, il imagine une tour géante
reliée à des châteaux célestes par un chemin de fer. Mais, à l'époque, le projet était
irréalisable, aussi tomba-t-il dans l'oubli jusqu'en 1979, quand l'écrivain de science-fiction
Arthur C. Clarke s'en empara dans son ouvrage Les fontaines du paradis. Depuis, plusieurs
scientifique travaillent sur la question.
Câble et propulsion de la cabine
En août prochain, l'ISEC (International Space Elevator Consortium) convie toutes les
équipes travaillant à cette idée à Washington pour faire un point. On y parlera beaucoup de
la conception du câble qui doit allier une immense solidité à un poids plume. Désormais, il
semble que ce gigantesque défi pourrait être relevé par les fameux nanotubes en carbone.
William Flew, un spécialiste des matériaux au King's College de Londres, affirme que de
récents progrès permettent enfin d'envisager la fabrication d'un câble suffisamment solide
pour résister à la tension immense, aux vents et aux orages. Soit une résistance d'au moins
180 fois celle de l'acier, selon Yoshio Aokki, professeur d'ingénierie et directeur de la Japan
Space Elevator Association. Reste à inventer le rouet capable de filer ces nanotubes. Une
équipe de l'université de Cambridge vient d'annoncer la fabrication de premières mini-fibres.
Un premier pas.
La propulsion de la cabine, de même que son freinage lors de la descente, est le deuxième
gros problème à résoudre. Les Américains imaginent de braquer des rayons laser depuis le
sol sur le véhicule ascensionnel pour l'approvisionner en énergie. Les Japonais, eux,
réfléchissent à un procédé copié sur la propulsion magnétique de leur train. "Les nanotubes
de carbone étant de bons conducteurs d'électricité, nous envisageons la présence d'un
second câble qui fournirait l'énergie nécessaire tout au long du trajet", poursuit Aokki.
D'autres projets envisagent d'utiliser l'énergie solaire, même nucléaire. Quoi qu'il en soit, les
ingénieurs ont calculé qu'un tel monte-charge nécessitera cent fois moins d'énergie qu'un tir
de fusée. L'ascension sera aussi plus lente, elle prendra entre quatre et cinq jours.
Ascenseur spatial : C'est pour bientôt !
http://www.besoindesavoir.com/article/576775/ascenseur-spatial-est-pour-bientot
Longtemps considéré comme la science-fiction, le Space Elevator sera techniquement à la portée de
l'Humanité dans un avenir plus proche que nous ne le pensions! Certains scientifiques évoquent en
effet l’échéance de 2025.
L'idée d'un ascenseur spatial n'est pas nouvelle : depuis le XIXème Siècle, les romans de SF avaient
imaginé ce projet démentiel! Dans "Les Fontaines du Paradis", Arthur C. Clarke décrivait la
construction d'un ascenseur spatial: une structure géante s'élevant du sol, reliée à un satellite en orbite
géostationnaire ,et utilisée pour soulever des charges utiles en orbite sans avoir à utiliser de fusées.
Un ascenseur spatial est une structure linéaire (composée de câbles) conçue pour le transport de
matériel et d'individus depuis la surface d'un corps céleste (en l'occurrence, la Terre) jusque dans
l'espace (terminus envisageable : la Lune ou un satellite géostationnaire artificiel).
"Même si les défis à relever pour construire un ascenseur spatial sont immenses, il n'y a aucune
raison physique ou économique qui empêcherait notre génération de voir la construction d'une telle
superstructure " explique Bradley Edwards,de l'Université de Berkeley.
Grace aux nanotechnologies
Le plus gros problème réside dans le fait que personne - jusqu'à maintenant - n'a été en mesure de
fabriquer de longs câbles solides ET ultra-légers. À la suite des progrès des nanotechnologies, des
câbles légers mais ultra solides offrent les possibilités matérielles et techniques pour atteindre la Lune.
Le matériau nécessaire ? Du carbone structuré sous la forme de nanotubes ; or nous savons que cette
technologie évolue très rapidement...
"La fabrication de nanotubes de carbone est passée depuis quelques années de la phase expérimentale
à une production quasi industrielle; de véritables entités commerciales les produisent en quantités
importantes (tonnes)", confirme le Professeur Benaroya, du Département de génie mécanique et
aérospatial à l'université du New Jersey.
Les projets d'ascenseur spatial s'orientent donc aujourd'hui vers l'utilisation de nanotubes de carbone
dans la composition des câbles théoriquement assez résistants pour supporter et la traction du "Space
elevator " et la gravité terrestre.
La NASA prend également le concept d'ascenseur spatial très au sérieux. L'ascenseur spatial peut
sembler ridicule à certaines personnes, mais la science et l'inventivité de l'Homme sont plus puissantes
que les préjugés.
L’ascenseur spatial est-il réalisable ?
http://www.traqueur-stellaire.net/2010/12/ascenseur-spatial-faisabilite/
Lundi, 20 décembre 2010 |
Tags: anticipation, espace, physique, planete-sf |
Catégorie: Scientifiction | Guillaume |
17 commentaires
Pour visiter les cieux, Jacob rêvait dans la Genèse d’une échelle gigantesque. Depuis cet
épisode biblique, l’idée a pour le moins progressé. En 1895, dans son ouvrage Rêves de la
Terre et du ciel, l’auteur russe Konstantin Tsiolkovsky imaginait atteindre l’espace à l’aide
d’une tour de 36000 km de hauteur. Son rêve a longtemps été oublié, avant d’être
redécouvert indépendamment par des savants russes et un ingénieur américain dans les
années 60-70, mais cette fois-ci sous la forme d’un monte-charge partant du sol pour
atteindre l’espace. Arthur C. Clarke s’inspira en 1978 de ce concept d’ascenseur spatial dans
son roman de science-fiction Les Fontaines du paradis. Depuis lors, les fictions mettant en
scène une telle construction imaginaire sont devenues pléthores.
Dans son ouvrage, la tour de Tsiolkovsky culminait à l’altitude de 36000 kilomètres audessus du sol. Cette hauteur n’est pas due au hasard. Elle présente en effet deux avantages
non négligeables : à cette altitude, la force gravitationnelle et la force centrifuge de la Terre
s’annulent. C’est l’impesanteur. La position y est donc favorable pour envoyer un objet dans
l’espace : poussé vers l’extérieur, il va être rapidement propulsé par la force centrifuge !
Second avantage : cette altitude correspond à l’orbite géostationnaire. Cela signifie qu’un
point au sol et un point à cette altitude ont la même période de révolution : 23h 56 minutes.
Ils restent donc constamment alignés. Pratique pour conserver à tout moment les arrêtes de
notre édifice perpendiculaires au sol ! Mais construire une tour spatiale comme le suggérait
Tsiolkovsky nécessiterait un édifice assez large de base et bâti de matériaux assez robustes
pour supporter leur propre poids. Techniquement, il est possible d’imaginer des tours d’acier
de 5 km de haut ou des édifices d’aluminium de 15 km d’altitude. Mais nous sommes encore
loin d’une tour atteignant les portes de l’espace, à 100 kilomètres d’altitude ! Un tel édifice,
s’il veut conserver une modeste plate-forme au sommet de 10 mètres de diamètre, devrait
avoir une base de 220 km au sol ! Pire que la Tour de Babel.
Dans l’imagination des ingénieurs, l’ascenseur spatial a donc rapidement supplanté l’idée
d’une tour spatiale. Pour atteindre l’espace de cette façon, un monte-charge grimpant le long
d’un câble reste bien plus réaliste. Seulement, en guise de câble, quelle matière utiliser ? Un
câble en acier atteindrait les 50 km. Une fibre en kevlar peut culminer à 200 km. Couplons
alors deux brins ensemble et rajoutons-les au brin précédent. Nous gagnons en hauteur.
Continuons l’assemblage jusqu’à 36000 kilomètres d’altitude : notre conglomérat de fibres
synthétiques aurait alors un diamètre de 2 kilomètres en orbite géostationnaire contre un
malheureux millimètre au niveau du sol ! Imaginez seulement un instant comment tendre un
tel câble et vous en aurez la nausée.
La question du câble semblait donc insoluble jusqu’à la découverte des nanotubes de
carbones par Sumio Iijima, en 1991. En raison de leur très grande résistance, ces fils
pourraient-ils servir de câbles entre la Terre et l’orbite géostationnaire ? Hélas non, si l’on en
croit une étude publiée en 2005 par Nicola Pugno, de École polytechnique de Turin. Ce
chercheur montre que la tension maximale que pourrait supporter le câble serait de 30
GigaPascal (GPa). Une jolie prouesse technique mais encore bien insuffisante. La structure
en nanotubes d’un tel ascenseur devrait faire 1 mètre de large, et endurer une tension de 63
GPa. En théorie, les calculs fournis par les ingénieurs de la Nasa estiment que les
nanotubes pourraient supporter jusqu’à 100 Gpa de tension. Cependant, la moindre perte
d’un atome de carbone peut faire baisser cette capacité de 30% … Or justement, les fibres
de nanotubes de carbones parfaites n’existent pas ! Statistiquement, on sait que des défauts
préexistants dans le câble sont inévitables. De plus, la structure de l’ascenseur peut être
affaiblie par des micrométéorites dont les impacts écorcheraient le câble et par l’oxygène
atmosphérique qui sera responsable de son érosion chimique. La moindre usure pourrait se
révéler fatale à notre câble. Il nous faut donc mettre au point des nanomatériaux
suffisamment robustes, voire les enrober d’un gainage suffisamment efficace pour renforcer
notre câble ! N’oubliez pas non plus de rajouter dans notre cahier des charges un entretien
impeccable du câble après la mise en service de l’ascenseur spatial.
A la question de la nature du câble s’ajoute une autre interrogation : comment ancrer ce
câble ? Le principe le plus simple consisterait à dérouler la bobine depuis l’orbite
géosynchrone. Mais au fur et à mesure que notre fil d’Ariane descendrait vers la Terre, il
serait entraîné par la force de gravité. Il faudrait donc étirer également vers l’espace un autre
fil, afin d’assurer rapidement le contre-poids. Mais pour compenser l’effet de fronde créé par
la force centrifuge, il faudrait atteindre un nouveau point d’équilibre, situé à 144000 km
d’altitude ! Pour diminuer cette distance, il nous faudrait utiliser un contre-poids suffisamment
massif. Comme par exemple un astéroïde. Une bonne idée quant à la prospection de
matière première, puisque les astéroïdes sont riches en carbone, mais qui complique encore
plus notre construction. En plus du câble, rajoutez à la commande la livraison à domicile d’un
météore. On ignore si Bruce Willis acceptera de jouer les convoyeurs.
Mais nous ne sommes pas au bout de nos peines. L’ascenseur spatial étant un corps
astronomique particulier et inhabituel, son comportement dans l’espace est affecté non
seulement par l’attraction de la Terre et la force centrifuge, mais également par l’attraction
solaire et lunaire, la forme de la Terre, ou encore la présence de débris spatiaux. Lubos
Perek, dans un article soumis à la revue Acta Astronautica, met le doigt sur un autre point
crucial : la taille de l’élévateur spatial et son manque de résistance aux forces de torsion
nécessitent une étude détaillée de sa stabilité, aussi bien dans sa phase initiale de
construction en tant que satellite géostationnaire que dans sa phase opérationnelle comme
porteur de charge utile. Les perturbations de la Lune et du Soleil, ainsi que d’autres forces
mineures, risquent d’affecter la stabilité dans la phase initiale et provoqueraient des
oscillations une fois l’ascenseur opérationnel. Personne n’apprécierait l’idée que l’ascenseur
puisse se mettre à onduler du câble ou à vibrer comme une corde de guitare. Des systèmes
de propulseurs placés à des points précis le long du câble seront donc nécessaires pour
exercer une poussée stabilisatrice. De plus, ces propulseurs devront permettre des
manœuvres locales d’évitement afin de prévenir le risque de collision avec des objets et
débris spatiaux. Le système de contrôle des propulseurs devra également être très réactif. Il
lui faudra s’adapter rapidement à la situation et rectifier l’attitude de l’élévateur dès que
nécessaire.
Vous l’aurez donc compris, nous ne sommes pas encore capables de démarrer le chantier
de l’ascenseur spatial ! Cet article a été l’occasion de revenir sur la faisabilité d’une telle
construction. Son utilité n’est cependant plus à démontrer. Avec un prix de mise sur orbite du
kilogramme de charge utile qui avoisinerait l’euro, nous sommes très loin des 20.000
dollars/kg des propulseurs standards. Imaginez les matériaux ainsi mis en orbite pour
construire de gigantesques stations spatiales ou préparer des expéditions de matériel vers
les colonies lunaires et martiennes ! Mais derrière ce rêve, d’autres interrogations subsistent
quant au fonctionnement de l’ascenseur spatial, et surtout en cas d’incident. Que se
passerait-il si le câble était sectionné ? Une partie retomberait sur Terre, tandis que le
contre-poids repartirait dans l’espace. Si du fret s’échappait d’une nacelle ? Si un passager
était expédié hors de sa cabine téléphérique ? Suivant son altitude, notre malheureux
gagnerait un retour dans l’atmosphère ou un voyage vers le vide intersidéral. Tâchez plutôt
de glisser de la cabine en orbite géostationnaire, cela simplifiera la tâche des secours !
Mais arrêtons de dramatiser. L’ascenseur spatial continue de fasciner ingénieurs et
amateurs d’aérospatial. Gageons que notre technologie saura répondre, d’ici les prochaines
décennies, aux obstacles actuellement posés, et que monter dans l’espace deviendra aussi
simple que… grimper dans un ascenseur !
Références :
- Lehoucq R. Ascenseur vers l’espace. Publié dans Bifrost n°21 et dans SF : la science
mène l’enquête (éditions Le Pommier). Disponible en ligne sur le blog du Belial’.
- Olry C. (2006). Ascenseur spatial : un rêve qui manque de solidité. Futura-Sciences
En ligne
- Perek L. (2008). Space Elevator : Stability. Acta Astronautica 62( 8-9), 514-520.
- Pugno N. M. (2006). On the strength of the carbon nanotube-based space elevator
cable : from nanomechanics to megamechanics. Journal of Physics : Condensed
Matter, 18, S1971-S1990. En ligne
- Wikipedia : ascenseur spatial (version française) En ligne
- Wikipedia : space elevator (version anglaise bien plus complète, recommandée
pour approfondir le sujet) En ligne
Quelques liens :
- http://www.spaceelevatorblog.com/
- http://www.spaceelevator.com/
- http://www.spaceward.org/elevator2010
L’ASCENSEUR A DU MAL A PRENDRE SON ENVOL !
Fabien Joubet _ journaliste.
http://www.rue89.com/2009/02/05/lascenseur-spatial-a-du-mal-a-prendre-son-envol
Entrer dans une cabine d'ascenseur, et d'une seule pression sur un bouton, s'élever pour
l'espace... Une idée qui fait rire ? En tout cas pas pour les agences spatiales. Revenu sur le
devant de la scène dans les années 90 grâce aux nanotechnologies, ce programme semble
pourtant piétiner tant les obstacles sont nombreux. Ce qui n'empêche pas les agences
spatiales de continuer à travailler d'arrache-pied. Le point sur cette construction cyclopéenne
qui ferait rougir de honte les plus grands pharaons.
Las Cruces, Nouveau Mexique. Sous un soleil de plomb, une centaine de personnes assiste,
intriguée, à l'élongation d'un fin câble par une machine. Tonnerre d'applaudissements
lorsque celui-ci vient à casser. Des fous échappés d'un asile ? Pas du tout, ces gens
viennent d'assister au nouveau record du Tether Challenge, un concours organisé par la
NASA et Spaceward Foundation.
Les participants doivent construire un câble le plus résistant possible, la NASA offrant deux
millions de dollars au gagnant. De quoi se souvenir de 2009, l'année mondiale de
l'astronomie, toute sa vie...
Il faut dire que l'agence a tout à gagner dans cette affaire : obtenir un câble supra-résistant,
élément clé de l'ascenseur spatial. Mais revenons sur les avantages de cette construction
par rapport à un lancement classique.
Les obstacles sont légion
Tout d'abord le coût de mise en orbite de charges est considérablement réduit : 48$/Kg
contre 22 000$/Kg sur une fusée. Intéressant... sans compter les deux millions de litres de
carburant consommés par une fusée pour quitter l'orbite terrestre, l'ascenseur étant alimenté
en électricité grâce à des lasers terrestres.
Ce n'est pas tout : il pourrait ramener sur Terre les déchets spatiaux, problème épineux
toujours non résolu. Enfin, le challenge est de taille pour les agences spatiales : la première
nation qui réussirait un tel exploit s'assurerait d'un contrôle économique, politique, et
psychologique très durable dans le domaine spatial.
Outre le Tether Challenge, la Jaxa a organisé sa Space Elevator Association Conference en
novembre dernier, et l'Esa l'Eurospaceward début décembre. Les industriels ne sont pas en
reste, des groupes comme LiftPort existent depuis 2003 et planchent sur ce projet.
Les cerveaux s'activent, les industriels se préparent, mais les obstacles à ce genre de projet
sont légion. Tant est si bien que le nombre de concurrents au Tether Challenge décroît
d'année en année, et que la NASA se voit forcée d'offrir un plus gros chèque à l'éventuel
gagnant, pour attirer plus de participants.
Pour Roland Lehoucq, astrophysicien au CEA et enseignant à Polytechnique, il est
compréhensible que les équipes se découragent :
« La fabrication du grimpeur n'est pas si facile vu les performances des prototypes
présentés. Il est possible que ceux qui y ont participé jettent l'éponge, mais aussi que
l'investissement soit trop coûteux pour participer à un challenge dont l'objectif est encore
lointain. »
Une construction titanesque
Le système doit évidemment rester en équilibre, pour cela il faut un câble dont le centre est
situé au niveau de l'orbite géostationnaire, soit 35 786Km. La partie inférieure tire l'ensemble
vers la Terre alors que la partie supérieure a tendance à tirer vers le haut ; l'ensemble est
ainsi mis en tension.
Ce qui nous donne une longueur totale de... 72 000 km, soit un quart de la distance TerreLune, ou six fois le diamètre de la Terre !
Comment dès lors construire un câble suffisamment long et résistant à la fois ? L'idée
semblait abandonnée jusqu'en 1991, année d'apparition des nanotubes de carbone.
Ces constructions cylindriques de carbone, 10 000 fois plus fines qu'un cheveu et 100 fois
plus résistantes que l'acier, ont amené les grandes agences spatiales mondiales à se
pencher une nouvelle fois sur la question. Et si c'était tout bonnement à portée de main ?
Le projet le plus abouti est celui de Bradley Edward, de la fondation californienne de
recherche Eureka Scientific. Il mise sur la construction d'un nanotube immense d'environ
90 000Km de haut, un mètre de large, et aussi fin qu'une feuille de papier.
Sa finesse doit toutefois lui permettre de supporter une tension de 63Gpa, soit l'équivalent
d'un tir à la corde de 100 000 personnes de chaque côté !
Des écueils insurmontables ?
Individuellement, un nanotube de carbone peut endurer une tension de 100Gpa,
capacité alléchante. Mais s'il vient à manquer un seul atome de carbone, sa résistance
chute de 30%.
Des études de résistance de nano-matériaux ont récemment prouvé qu'il manquait en
moyenne un atome de carbone tous les... quatre micromètres ! Nicolas Pugno de l'Ecole
polytechnique de Turin, spécialiste des assemblages de nanotubes, publie un modèle dans
un article paru en 2006 dans la revue Journal of Physics.
Selon ses résultats, un tube ne peut résister qu'à 30Gpa, et cela sans compter l'érosion due
à l'oxygène. Inenvisageable, dans ces conditions, de construire un tel ascenseur. Roland
Lehoucq renchérit :
« Les nanotubes sont très prometteurs mais il faut faire un monofilament sans défaut
et de la bonne longueur. Pour l'instant la structure n'est pas régulière sur les quelques
centimètres de longueur que nous sommes capables de fabriquer... »
La structure même n'est pas le seul problème montré du doigt. Les risques de collisions avec
des micro météorites sont importants, leurs conséquences seraient désastreuses, même si
certains chercheurs pensent améliorer sa résistance en modifiant sa forme.
Un objet qui ne laisse pas indifférent
Problèmes de structure, de résistance, comme si cela ne
suffisait pas, la stabilité va venir taquiner les concepteurs.
Comment garder l'ascenseur parfaitement stable ?
Si la répartition de part et d'autre de l'orbite géosynchrone
fonctionne bel et bien, elle suppose une absence de forces
externes, telles que les forces de marées. Ces accélérations
gravitationnelles compriment les objets dans une direction, et
les dilatent dans l'autre, ce qui aurait pour conséquences des
ondulations dangereuses du câble, surtout si une résonance
était atteinte, auquel cas il se briserait purement et
simplement.
A ce propos, l'astronome tchèque Lubos Perek, du Czech
Academy of Sciences Astronomical Institute, pense même
que des propulseurs seraient nécessaires à la stabilisation de
l'édifice.
Les choses se compliquent : la structure est alourdie, et le
réapprovisionnement des propulseurs doit être envisagé,
sans compter leur entretien. Serait-ce la fin de l'aventure ? A
priori non, ces questions de stabilité sont encore débattues
aujourd'hui et beaucoup de scientifiques ne partagent pas
l'avis de Lubos Perek.
Quoi que l'on en pense, l'ascenseur spatial ne laisse pas
indifférent. Pour de simples visiteurs, grande est la tentation
de voir la Terre depuis l'espace. Pour les professionnels,
pouvoir hisser et ramener des charges à loisir, et à moindre
frais, est synonyme de croissance exponentielle.
Les enjeux sont trop grands pour l'abandonner, même si les
obstacles sont légion, une question cruciale
Une histoire pas si récente
Le concept d'ascenseur
spatial ne date pas d'hier.
En 1895, Konstantin
Tsiolkovski, père de
l'astronautique russe,
imagine une tour de 36
000 km de haut, sur le
modèle de la tour Eiffel,
fraîchement achevée.
Presque un siècle plus
tard, en 1979, Arthur C.
Clarke publie « Les
Fontaines du Paradis »,
roman dans lequel il
présente au grand public
cette idée un peu farfelue :
à partir d'une station
spatiale en orbite,
l'homme construit un
câble qu'il ancre sur Terre,
et un autre qui part en
direction opposée pour
maintenir l'équilibre.
Clarke déclara
« l'ascenseur spatial sera
opérationnel 50 ans après
que vous ayez fini de rire
de lui ». Les nanotubes
étant découverts depuis
presque 20 ans, on
imagine mal l'inauguration
dans 30 ans...
L'avènement de l'« ère
nano » a surement
provoqué un engouement
trop important, mais qui
ne remet pas en cause la
légitimité de ce
programme.
Calcul sur les caractéristiques du câble]
Article sur WIKIPEDIA
http://fr.wikipedia.org/wiki/Discussion:Ascenseur_spatial
Le problème de l’ascenseur spatial a été posé dans l’épreuve écrite de physique de
l’agrégation interne de sciences physiques en janvier 2009. Voici le principe de calcul des
caractéristiques du câble nécessaire à la construction d’un tel ascenseur.
Choix de la longueur
L’étude doit se faire dans le référentiel terrestre (référentiel non galiléen à cause du
mouvement de rotation propre de la Terre) par rapport auquel le câble est effectivement
immobile (en équilibre). Ainsi il n’y a pas de force de Coriolis, celle-ci n’apparaissant que si
la vitesse de l’objet n’est pas nulle dans le référentiel d’étude.
On considère un câble arrimé en un point de l’équateur, l’autre extrémité se trouvant sur
l’orbite géostationnaire (rappelons que cette orbite est située dans le plan équatorial à une
altitude de 35770 km par rapport au sol) ; ainsi les deux extrémités du câble sont fixes l’une
par rapport à l’autre.
On applique le principe fondamental de la dynamique à chaque partie élémentaire du câble,
ce qui permet de démontrer que chaque partie est en équilibre sous l’action de quatre forces :
- L’attraction gravitationnelle terrestre (ou « poids » de l’élément)
- La force d’inertie d’entraînement (due à la rotation de l’élément autour du centre de la
Terre)
- La force de tension exercée par la partie supérieure du câble
- La force de tension exercée par la partie inférieure du câble
La somme vectorielle de ces quatre forces, qui ont pour direction commune celle du câble, est
nulle. Le résultat du calcul montre qu’il existe une force de tension dont le sens est vers la
Terre en tout point du câble, sauf à l’extrémité située sur l’orbite géostationnaire (où la
tension est nulle). Le câble est donc en compression et il y aurait donc un risque de chute en
particulier si un petit mouvement accidentel envoyait l’extrémité juste au-dessous de l’orbite
géostationnaire.
La valeur de la tension du câble au point d’arrimage est égale au « poids » apparent du câble
entier (soit environ 1/6 du poids total du câble si celui-ci était entièrement au niveau du sol).
Donc le câble appuie sur le sol.
Pour empêcher la chute, on allonge le câble au-delà de l’orbite géostationnaire. Un nouveau
calcul, encore basé sur l’application du principe fondamental de la dynamique, montre que le
choix d’une longueur critique du câble (143 760 km) a les conséquences suivantes :
- La tension du câble au point d’arrimage est nulle ; donc le poids apparent du câble est nul et
celui-ci n’appuie ni ne tire en ce point.
- En chaque autre point, la tension du câble a sons sens vers le haut. Le câble est donc en
tension sur toute sa longueur et il n’y a plus de risque de chute.
- La valeur de la tension augmente jusqu’au point de l’orbite géostationnaire, où elle atteint sa
valeur maximum, puis diminue ensuite jusqu’à être nulle à l’extrémité du câble.
On pourrait aussi choisir une longueur comprise entre 35770 et 143760 km. Une partie du
câble sera alors en compression (risque d’affaissement) et l’autre en tension.
Choix du matériau
Économiquement on a intérêt à minimiser la masse du câble. On montre qu’il suffit de
construire un câble de section variable. En chaque point on détermine la section juste
suffisante de telle sorte que la contrainte (force de tension par unité de surface) soit inférieure
à la contrainte critique du matériau, au-delà de laquelle il y a risque de déformation
irréversible et rupture. Le câble a ainsi une forme de fuseau fortement enflé autour du point de
l’orbite géostationnaire.
Au niveau du sol, le câble doit seulement supporter la charge d’une cabine de masse égale à
10 tonnes, puisque par ailleurs la force de tension du câble est nulle.
Malheureusement la tension du câble augmente avec l’altitude et atteint des valeurs
gigantesques autour du point de l’orbite géostationnaire. Il faut donc augmenter la section
dans des proportions irréalistes si on utilise des matériaux traditionnels. C’est là que les
nanotubes de carbone viennent nous sauver.
Voici dans l'ordre : matériau - section au sol - section sur l’orbite géostationnaire
acier - 10 cm2 - 10 (exposant 163) m2
kevlar - 3 cm2 - 14 hectares
nanotubes - 0,1 cm2 - 2 cm2
Il restera à résoudre les deux petits problèmes suivants :
- Fabrication d’un câble continu de 150 000 km en nanotubes sans défaut.
- Transport jusqu’à l’orbite géostationnaire et déploiement à partir de celle-ci d’un câble de 50
000 tonnes.
Mais peut-être découvrira-t-on prochainement des matériaux plus performants que les
nanotubes de carbone.
Page Web permettant le calcul automatique des caractéristiques du câble :
http://sboisse.free.fr/technique/calcule-tour-orbitale.php
Un ascenseur spatial
http://icietmaintenant.fr/SMF/index.php?topic=5530.0
La NASA et la JAXA travaillent, chacune de leur côté, sur un concept d'ascenseur
spatial nécessitant l'utilisation d'un câble extrêmement solide le long duquel
monteront les charges utiles jusqu'à l'orbite visée.
L'idée d'un ascenseur spatial a été popularisée par des auteurs de science-fiction, qui
envisageaient l'utilisation d'un câble s'étirant depuis la surface de la Terre et fixé sur une
orbite plus haut moins haute. Les charges utiles glisseraient alors simplement le long du
câble vers une orbite, sans qu'un lanceur ne soit nécessaire.
L'idée est d'autant plus intéressante que des études ont montré la faisabilité et la viabilité
économique d'un service de lancement commercial utilisant un câble pour lancer des
charges utiles. Cependant, les technologies requises pour utiliser des robots capables de
soulever des objets dans l'espace le long d'un câble sont loin d'être maitrisées. Il semblerait
que le Japon ai pris un peu d'avance sur les Etats-Unis dans la mise au point du câble
qui devra être 150 fois plus résistant que l'acier et d'une très grande stabilité.
Les chercheurs pensent que la meilleure forme à utiliser pour le câble d'un ascenseur spatial
serait une bande, d'environ un mètre de large et épaisse comme une feuille de papier. Elle
devrait supporter une tension d'au moins 62 gigapascals (GPa) soit environ 630
tonnes par centimètres carrés. C'est l'équivalent de l'effort lors d'un jeu de tir à la
corde avec plus de 100.000 personnes de chaque côté. D'où l'utilisation de nanotubes de
carbone, seule technologie qui théoriquement posséderait un ratio résistance/poids suffisant.
La NASA a identifié 2 sites de lancement répondant à 12 critères précis. Ces sites ce situent
dans les eaux internationales. Le premier à environ 500 kilomètre au large de Perth, en
Australie et le second à plus de 3200 km au large d'Hawaii. [/justify]
Source: http://www.flashespace.com/html/nov08/19_11_08.htm
-------------------------------------------------------------Posté par Michel le Mercredi 15 Novembre 2006 à 00:00:41
Ascenseur spatial: "premier étage, radiations mortelles !"
[justify]L'ascenseur spatial pourrait un jour devenir un moyen bon marché d'envoyer
du matériel, des équipements, et sans doute des personnes dans l'espace. Jusqu'ici, il
a à peine quitté la planche à dessin, mais au final, des machines pourraient grimper le
long d'un câble s'étirant jusqu'à 100 000 kilomètres de la surface de la Terre dans
l'espace.
Mais il existe un obstacle de taille: des êtres humains ne pourraient pas survivre à la dose
énorme de rayonnements ionisants qu'ils recevraient en traversant la ceinture de radiations
de Van Allen qui entoure la Terre. Cette ceinture est constituée de deux anneaux
concentriques de particules chargées, piégées par le champ magnétique terrestre.
Les ascenseurs spatiaux sont prévus pour être ancrés sur une plateforme océanique proche
de l'équateur, avec leur autre extrémité reliée à un contrepoids dans l'espace.
A l'équateur, la partie la plus dangereuse de la ceinture de rayonnements s'étend depuis
environ 1000 kilomètres jusqu'à 20 000 kilomètres d'altitude. Cette zone n'a pas posé de
problèmes aux astronautes des missions Apollo parce que leurs fusées la traversaient très
rapidement. Mais pour un ascenseur spatial se déplaçant à la vitesse envisagée
actuellement de 200 kilomètres par heure, les passagers pourraient devoir s'y attarder
pendant quelques jours. Ils recevraient alors 200 fois plus de rayonnement que les
astronautes des missions lunaires des années 60 et 70.
Diverses méthodes sont envisageables pour contourner le problème, mais toutes ont leurs
inconvénients.
Une option serait d'éloigner l'ascenseur de l'équateur. En le décalant vers le nord ou vers le
les sud, la zone des radiations les plus intenses pourrait être évitée. Mais, si l'ascenseur était
situé à une latitude de 45° nord, par exemple, le câble dévierait vers le sud, attiré vers
l'équateur par la force centrifuge. Il se positionnerait presque horizontalement à travers
l'atmosphère sur des milliers de kilomètres, et serait soumis à des tensions
"météorologiques" qui pourraient l'affaiblir.
Une autre option serait de disposer une sorte de bouclier de protection le long du câble que
l'ascenseur pourrait ramasser lorsqu'il est sur le point d'atteindre la ceinture. Mais un tel
écran protecteur alourdirait l'ensemble de l'équipement, et perturberait le mouvement naturel
du câble.
La production de champs magnétiques autour de l'élévateur pourrait protéger du
rayonnement son module d'habitation pendant qu'il s'élève dans l'espace. Mais il pourrait
être difficile de fournir suffisamment de puissance à l'élévateur pour produire d'un tel écran
protecteur.
Finalement, les constructeurs pourraient simplement augmenter la masse globale de la
"cabine" de l'ascenseur, ce qui nécessitera plus d'énergie pour la soulever dans l'espace.
LiftPort Group, société basée dans l'état du Washington aux USA, qui envisage l'envoi de 20
personnes par trajet, devrait suivre cette stratégie avec une cabine de 100 tonnes, ce qui est
sensiblement plus lourd que l'élévateur de 20 tonnes imaginé par Brad Edwards, l'auteur de
la conception actuelle de l'ascenseur spatial.[/justify]
Source: New Scientist Space Illustration: Liftport
------------------------------------------------Posté par Michel le Mercredi 24 Mai 2006 à 00:00:21
[justify] L'ascenseur spatial: une descente aux enfers ?
Sera-t-il réellement possible de fabriquer un câble à base de nanotubes de carbone
capable de supporter un ascenseur spatial? Certainement pas demain, et peut-être
même jamais, selon l'étude de Nicola Pugno de l'école d'enseignement technique de
Turin, dont les calculs prouvent que des défauts, inévitables dans les nanotubes,
rendent un tel câble insuffisamment résistant.
L'idée d'un ascenseur spatial a été popularisée par la science-fiction, où les auteurs
envisagent un câble 100.000 kilomètres de long s'étirant depuis la surface de la Terre et fixé
sur une orbite géosynchrone . Les charges utiles, ou les touristes, glisseraient alors
simplement le long du câble vers une orbite basse, sans qu'une fusée ne soit nécessaire.
Lorsque l'on a découvert que les nanotubes de carbone possédaient un ratio
résistance/poids incroyablement élevé, les chercheurs ont espéré que cette idée pouvait
devenir une réalité. Cependant, selon Pugno, les défauts existant dans les nanotubes à
l'échelle atomique réduiraient la résistance d'un tel câble d'au moins 70%.
Le ruban de l'espace
Les chercheurs pensent que la meilleure forme à utiliser pour le câble d'un ascenseur spatial
serait une bande, d'environ un mètre de large et épaisse comme une feuille de papier. Elle
devrait supporter une tension d'au moins 62 gigapascals (GPa) soit environ 630 tonnes par
centimètres carrés. C'est l'équivalent de l'effort lors d'un jeu de tir à la corde avec plus de
100.000 personnes de chaque côté.
Les essais en laboratoire ont prouvé que les nanotubes peuvent supporter en moyenne
environ 100 GPa, tension exceptionnelle due à leur structure cristalline. Mais l'absence d'un
seul atome dans un nanotube peut réduire sa résistance de près de 30%. Et un matériau en
bloc élaboré à partir de tels tubes est encore plus faible. La plupart des fibres ainsi
produites n'ont jusqu'ici qu'une résistance très inférieure à 1 GPa.
Les mesures récentes effectuées sur des nanotubes de haute qualité montrent qu'il leur
manque un atome de carbone tous les 10^12 liens ; cela représente environ un défaut tous
les 4 microns. Des défauts sur deux atomes ou plus sont beaucoup plus rares, mais Pugno
précise qu'à l'échelle de l'ascenseur spatial ils sont statistiquement très probables.
En utilisant un modèle mathématique de sa conception, et qui a été testé en prédisant la
résistance de matériaux tels que le diamant nano-cristallin, Pugno estime que les défauts
sur le cable affaibliront sa résistance en dessous de 30 GPa. Il ajoute que même si des
nanotubes parfaits pouvaient être élaborés, des dommages dus à des micrométéorites voire
à une érosion par des atomes d'oxygène les affaibliraient. A la question: un ascenseur
spatial peut-il être réalisé ? Pugno répond: "Avec la technologie disponible aujourd'hui...
Jamais".
Pourtant, ne jamais dire jamais...
Cet avis marque un important contraste avec les déclarations faites par Bradley Edwards,
dont l'étude de faisabilité d'un ascenseur spatial pour la NASA et un livre ont fait un porte-
parole écouté pour le projet. Edwards, qui est président et fondateur de la société CarbonDesigns, écarte la polémique, et indique qu'avec un financement suffisant il se fait fort
d'élaborer des câbles capables de respecter le critère des 62 GPa en trois ans. En point clé,
il propose d'enrouler fermement de longs nanotubes les uns autour des autres, ce qui
améliorerait les forces de frottement coopératives et rendrait la résistance des nanotubes
pris individuellement moins cruciale.
Pugno riposte que les plus gros défauts affaiblissent de façon critique le câble, quel que soit
sa forme. Et que les tentatives en laboratoire ne semblent pas jusqu'ici inspirer beaucoup
d'optimisme. Ray Baughman, directeur de l'institut NanoTech à Dallas, avait publié un article
dans Science l'an passé, à propos de câbles d'un mètre de longueur, enroulés d'une façon
similaire à celle proposée par Edwards. Ceux-ci ne résistaient pas à une tension bien
inférieure à 1 GPa.
Baughman indique que les résultats de Pugno ne l'étonnent pas. Il est connu depuis des
décennies que les matériaux cristallins sont sensibles aux défauts, et qu'ils montrent un
affaiblissement net de leur résistance avec l'augmentation de leur taille. Mais il ajoute qu'une
solution sera peut-être un jour trouvée. "Je ne verrai sans doute pas l'ascenseur spatial", ditil, "mais j'ai jamais aimé dire jamais".[/justify]
Source: Nature
Edito : L'ascenseur spatial, un rêve qui pourrait devenir réalité
Développé il y a 25 ans dans le fameux roman de science-fiction Arthur C. Clarke "Les
fontaines du Paradis", le concept d'ascenseur spatial, montant le long d'un câble de 100.000
km s jusqu'à une station située en orbite géostationnaire fait désormais l'objet d'un véritable
intérêt scientifique et n' apparaît plus comme un rêve inaccessible. Une conférence
scientifique de haut niveau consacré à cet extraordinaire projet vient d'ailleurs de se tenir à
Santa Fe (Nouveau Mexique) avec la participation, en vidéoconférence, depuis son domicile
de Ceylan, d' Arthur C. Clarke qui a réaffirmé pour l'occasion sa foi dans l'utilité et la
faisabilité de ce projet avant la moitié de ce siècle. Il est vrai que depuis le roman de Clarke
la technologie a considérablement progressée avec notamment la découverte, en 1991, des
nanotubes de carbones (découverte pressentie de manière géniale par Clarke qui avaient
imaginé dans son roman des "hyperfilaments" aux propriétés physiques proches des
nanotubes de carbones).
A la lumière de ces progrès technologiques, le projet initial qui semblait un peu fou et pour
beaucoup irréalisable, a fait depuis plusieurs années l'objet d'études de faisabilité
scientifique rigoureuse qui ont débouché, en mars 2003, sur le rapport final du NIAC
(Agence Nationale des Concepts Avancés), qui conclut à l'intérêt économique et scientifique
de ce projet et sa faisabilité pour un coût raisonnable (voir le dossier du NIAC
www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/pdf/521Edwards.pdf, la présentation de la NASA
http://flightprojects.msfc.nasa.gov/fd02_elev.html, et l' article de Space.com Business
http://www.space.com/businesstechnology/technology/space_elevator_020327-1.html">
http://www.space.com/businesstechnology/technology/space_elevator_020327-1.html
). S'appuyant sur ce rapport, la réunion organisée par Bryan Laubscher, chercheur du Los
Alamos National Laboratory, a permis d'entendre plus de 20 présentations sur tous les
aspects de cet ascenseur de l'espace, de ses méthodes de construction à son coût, en
passant par les dangers qu'il peut présenter pour l'environnement. La faisabilité d'un tel
projet est devenu une réalité avec la mise au point au début des années 1990 des
nanotubes, ces tubes microscopiques d'un diamètre de l'ordre du nanomètre, formés d'une
ou de plusieurs feuilles de carbone d'une résistance largement supérieure à tous les
matériaux de construction actuels. "Le premier qui construira un ascenseur spatial sera
propriétaire de l'espace", a estimé M. Laubscher en expliquant qu'un tel ascenseur pourrait
se déplacer le long d'un câble "long de 100.000 Km qui permettrait de transporter une
charge utile au-delà de la ceinture d'astéroïdes", du système solaire. Pour lui, "de nombreux
projets d'exploration spatiale déjà élaborés peuvent être repensés dans le contexte de
l'existence d'un ascenseur spatial". Le chercheur David Smitherman, du centre spatial
Marshall de la Nasa, a décrit la technologie de l'ascenseur spatial "dont la structure
s'étendrait de la surface de la Terre jusqu'à une orbite géostationnaire, donnant à l'ensemble
de la structure une rotation synchrone avec la Terre et maintenant sa position au-dessus de
sa base située à l'équateur". Il a estimé qu'"une telle structure pourrait être utilisé comme
système de transport de masse dans la dernière partie du XXIe siècle, pour le transport des
personnes, de charges utiles, de carburant et d'électricité entre la Terre et l'Espace". Pour
cet expert de la Nasa, la construction de l'ascenseur est rendue possible par les
nanotechnologies qui ont permis la mise au point de nanotubes "dont la résistance est
plusieurs centaines de fois supérieure à l'acier". Il a également cité les recherches en
propulsion électromagnétique pour le transport à grande vitesse, une technologie qui servira
selon lui le véhicule électromagnétique devant voyager dans l'Espace. La Nasa finance déjà
des projets privés de recherche pour un tel ascenseur, parmi lesquels HighLift Systems, une
société de Seattle (état de Washington, ouest) qui a créé en mars 2003 une première filiale
LiftPort Inc, destinée à "transformer les recherches déjà menées en applications
commerciales", a expliqué le président de l'entreprise, Michael Laine. Même la société
américaine Otis a exprimé son soutien au projet dès 2000 en informant la Nasa que le
numéro un mondial des ascenseurs avait "ce qu'il faut" pour aider l'agence spatiale
américaine à réaliser son rêve. L'ascenseur spatial repose sur une idée simple, géniale et
révolutionnaire : remplacer les fusées -au coût exorbitant, gourmandes en énergie et
polluantes- par un câble reliant une station spatiale à la terre, le long duquel on pourrait
hisser sur orbite, pour un coût 10000 fois plus faible, des véhicules de transport de
passagers ou de fret. Selon les études, l'énergie requise pour hisser une charge utile de 6
tonnes sur orbite ne reviendrait qu'à 17700 dollars, soit 1,48 dollar/kg, contre 22000
dollars/kg aujourd'hui avec une navette spatiale. L'envoi d'un passager avec bagage (de
l'ordre de 150 kg) ne coûterait que 222 dollars. Quant au coût de la construction de cet
ascenseur, il est estimé à quelque 40 milliards de dollars, un coût tout à fait raisonnable,
compte tenu de l'utilité et de la longévité de cet ascenseur spatial, et bien moindre que la
construction de l'actuelle Station spatiale internationale qui devrait revenir à 60 milliards de
dollars. Concrètement, l'ascenseur serait constitué d'un ensemble de câbles d'une longueur
de 91000 km. Ce filin serait mis en orbite à l'aide d'une navette spatiale aidée de quelques
propulseurs supplémentaires, qui, une fois en orbite géostationnaire, serviraient de
contrepoids. Les forces centripètes repousseraient alors la partie haute du filin vers l'espace
tandis que la partie basse serait attirée par la Terre, mettant le tout en tension. Ce premier
lien serait capable d'envoyer plus d'une tonne en orbite. Il suffira ensuite d'utiliser ce premier
câble pour en mettre en orbite de nouveaux. Ces filins seront constitués de nanotubes de
carbone. Ces molécules composées de plusieurs milliers d'atomes de carbone sont 50000
fois moins épaisses qu'un cheveu et 600 fois supérieure à celle de l'acier à poids égal! Mais
le plus gros défi technologique serait de construire 91000 Km de nanotubes car aujourd'hui
la technologie ne permet d'en construire seulement quelques centimètres. Pourtant en
seulement 4 ans les progrès dans ce domaine ont été considérables : en 1999, le plus long
nanotube réalisé mesurait 100 nm. Aujourd'hui, certains laboratoires sont capables de faire
croître des nanotubes jusqu'à ce qu'ils atteignent une longueur de 200 millions de
nanomètres c'est-à-dire 20 cm. Autre défi, le ratio actuel nanotube/résine époxy est de
60/40. Il faudra réussir à descendre à 98/2. Une fois construit, l' ascenseur spatial pourrait
permettre d'acheminer en orbite géostationnaire, à un coût mille fois moindre qu'aujourd'hui,
des hommes et du matériel. Cette possibilité ouvrirait naturellement des perspectives
immenses en matière de conquête, d'exploration et d'exploitation de l'espace, tant sur la plan
scientifique qu'industriel. Il serait notamment possible de construire de grandes centrales
solaires orbitales à un coût accessible aux pays en voie de développement, mais aussi de
vastes unités de production de médicaments ou de matériaux nécessitant une fabrication en
apesanteur. On pourrait également construire en orbite les vaisseaux d'exploration du
système solaire, vaisseaux qui partiraient directement de bases orbitales, et non plus de la
terre, ce qui permettrait d'énormes économies de poids et d'énergie. Ce projet d'ascenseur
spatial pourra sembler à beaucoup utopique, irréalisable ou même fantaisiste. Je crois qu'il
n'en n'est rien et que ce fantastique projet deviendra une réalité plus tôt que nous pouvons le
penser. Rappelons-nous qu'il y a bientôt 100 ans, le vol historique des frères Wright ouvrait
l'ère de l'aviation. Les enfants qui avaient été témoins de cet évènement pouvaient-ils un
instant imaginer qu'ils verraient, seulement 66 ans plus tard, l'homme marcher sur la lune !
Avec l'ascenseur spatial, la conquête de l'espace entrera dans une nouvelle dimension et
l'Humanité, après l'exploration de notre système solaire et la colonisation de Mars, pourra
préparer, à l'aube du XXIIe siècle, son grand saut vers les étoiles.
René TRÉGOUËT