Est-ce possible de créer un ascenseur allant jusqu’à l’espace ?

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L’ascenseur spatial a été proposé pour la première fois en 1895, et peut-être même avant. L’idée d’une tour géante qui peut nous transporter de la Terre à l’espace relève de la science-fiction. Mais l’émergence de nouvelles technologies, de nouvelles connaissances et de nouveaux matériaux rend cette possibilité de plus en plus tangible, avec les premiers essais de structures. Alors, est-ce réellement possible de créer un ascenseur allant jusqu’à l’espace ?

L’avantage le plus notable d’un ascenseur spatial est de réduire considérablement le coût d’envoi de charges utiles et d’équipages dans l’espace. Même avec l’avantage des fusées réutilisables, comme celles de SpaceX notamment, il est encore très coûteux d’envoyer quoi que ce soit en orbite. La raison est liée à la gravité de la Terre.

En effet, pour qu’un objet se libère de l’attraction gravitationnelle d’une planète ou d’une lune, qui l’attire vers elle, il doit atteindre une certaine vitesse, la vitesse de fuite ou d’échappement. De fait, comme chaque planète a une gravité différente, cette vitesse est également différente pour chaque planète. Pour la Terre, une fusée par exemple doit atteindre la vitesse de 40 270 km/h, ce qui signifie que la quantité de carburant nécessaire pour obtenir cette vitesse est considérable.

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Une idée est alors de construire un ascenseur spatial, soit ni plus ni moins qu’un câble s’étendant de la Terre à une orbite distante et qui permet de monter dans l’espace. Dans ce contexte, l’autre avantage net est que le processus d’escalade peut être alimenté par l’énergie solaire et ne nécessiterait donc aucun carburant.

La principale priorité de recherche pour l’ascenseur spatial est de trouver un matériau suffisamment solide, long et léger. La deuxième priorité est de travailler sur les moyens de réduire l’exigence de force tout en transportant une charge utile spécifique. Les défis depuis l’émergence de cette idée ne font que se multiplier, malgré des pistes prometteuses. Mais pourrons-nous réellement un jour nous rendre dans l’espace par le biais d’un simple ascenseur ?

Définir un ascenseur spatial

Dans un premier, il faut se mettre d’accord sur ce que nous appelons un ascenseur spatial. La NASA a défini le concept comme suit dans un rapport en 2000 : « Un ascenseur spatial est une connexion physique entre la surface de la Terre et une orbite terrestre géostationnaire (GEO) au-dessus de la Terre ≈ 35 786 km d’altitude. Son centre de masse est au point géostationnaire de sorte qu’il a une orbite de 24 heures et reste au même point au-dessus de l’équateur pendant que la Terre tourne sur son axe ».

Arthur C. Clarke a proposé une autre définition lors du discours qu’il a prononcé au 30e Congrès international d’astronautique (1979) : « L’ascenseur spatial est une structure reliant un point sur l’équateur à un satellite sur l’orbite géostationnaire directement au-dessus. En fournissant un ‘chemin de fer vertical’, il permettrait une réduction d’ampleur du coût des opérations spatiales ».

Il complète sa définition : « Les besoins énergétiques nets seraient presque nuls, car en principe toute l’énergie des charges utiles de retour pourrait être récupérée ; en effet, en poursuivant la structure au-delà du point géostationnaire (nécessaire de toute façon pour des raisons de stabilité), les charges utiles pourraient recevoir une vitesse d’échappement simplement en utilisant l’effet ‘fronde’ de la rotation de la Terre ».

Par conséquent, les éléments structurels de l’ascenseur sont une base (ou ancre), un câble (ou attache), des grimpeurs, des systèmes d’alimentation et un contrepoids dans l’espace. En effet, afin d’empêcher l’imposant câble de tomber, il faut qu’il soit équilibré à l’autre extrémité par une masse en orbite similaire. L’ensemble de l’ascenseur serait alors soutenu par des forces centrifuges, issues de la rotation de notre planète.

Néanmoins, aucun matériau connu n’est assez solide pour faire face à ces forces. Les défis techniques et les coûts associés à une telle structure sont colossaux. Mais à chaque génération, de nouvelles recherches tentent de surmonter ces obstacles.

Des essais japonais en cours pour une construction en 2050

En 2018, une équipe de chercheurs de l’Université de Shizuoka, travaillant au développement d’un ascenseur spatial, a effectué un premier essai. En effet, le 22 septembre 2018, l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale a lancé une fusée transportant l’expérience STARS-Me (Space Tethered Autonomous Robotic Satellite – Mini elevator) depuis l’île de Tanegashima.

Le test implique un ascenseur miniature — une boîte de seulement six centimètres de long, trois centimètres de large et trois centimètres de haut. Si tout se passe bien, il fournira une preuve de concept en se déplaçant le long d’un câble de 10 mètres suspendu dans l’espace entre deux mini satellites qui le maintiennent tendu. Le mini-ascenseur se déplace le long du câble à partir d’un conteneur dans l’un des satellites.

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Illustration du concept du mini-ascenseur japonais. © Shizuoka University

Un porte-parole de l’université déclare dans un communiqué : « Ce sera la première expérience au monde à tester le mouvement d’un ascenseur dans l’espace ». Le mouvement de la boîte « ascenseur » motorisée est surveillé par des caméras dans les satellites.

Cet essai fait suite à de nombreuses autres tentatives (STARS, STARS-II et STARS-C respectivement en 2009, 2014 et 2016) de satellites reliés entre eux par des câbles, mais aucun se focalisant sur le mouvement ascendant et descendant d’un mini ascenseur. Sur le site internet de la société, il est possible de suivre l’avancement de ces satellites, dont beaucoup ont fini par être décomposés. Néanmoins, deux projets sont en développement.

L’entreprise de construction japonaise Obayashi, qui collabore au projet de l’université de Shizuoka, explore également d’autres moyens de construire son propre ascenseur spatial pour envoyer des touristes dans l’espace en 2050. La société a déclaré qu’elle pourrait utiliser la technologie des nanotubes de carbone, qui sont plus de 20 fois plus résistants que l’acier, pour construire une cage d’ascenseur à 96 kilomètres au-dessus de la Terre.

Il serait possible de créer un ascenseur avec nos technologies actuelles

En 2019, un duo de chercheurs, Zephyr Penoyre de l’Université de Cambridge au Royaume-Uni et Emily Sandford de l’Université Columbia à New York, ont affirmé que l’idée d’un câble reliant directement la Terre à l’espace était réalisable avec les technologies de l’époque.

Selon le MIT Technology Review, les deux scientifiques ont adopté une approche différente. Au lieu d’ancrer le câble sur Terre, ils proposent de l’ancrer sur la Lune et de le faire pendre vers la Terre.

La grande différence vient des forces centrifuges mentionnées précédemment. Un ascenseur spatial conventionnel ferait une rotation complète chaque jour, en phase avec la rotation de la Terre. Mais la ligne spatiale basée sur la Lune n’orbiterait qu’une fois par mois, un rythme beaucoup plus lent avec des forces proportionnellement plus faibles.

De plus, les forces sont disposées différemment. En s’étendant de la Lune à la Terre, la ligne d’espace traverserait une région de l’espace où la gravité terrestre et lunaire s’annulent, le point de Lagrange. En d’autres termes, en dessous, la gravité tire le câble vers la Terre ; au-dessus, la gravité tire le câble vers la surface lunaire. Sans compter que le risque d’être touché par des objets spatiaux (comme des météores) est faible dans cette zone, et le câble pourrait être fabriqué pour résister à de petits à-coups, suggèrent les chercheurs.

Pour ces derniers, les voyageurs emprunteront dans un premier temps une fusée pour aller jusqu’à une station d’embarquement à la base de l’ascenseur, puis dans un second temps un véhicule à énergie solaire pour la Lune. Ils ajoutent : « Cela réduirait le carburant nécessaire pour atteindre la surface de la Lune à un tiers de la valeur actuelle ».

D’autres groupes de recherche ont déjà proposé divers types d’ascenseurs aériens à câble vers la Lune, mais Penoyre et Sandford présentent une analyse inhabituellement détaillée de la faisabilité technique et financière du concept. Ils disent que leur système, qu’ils appellent Spaceline, pourrait être construit pour quelques milliards de dollars en utilisant la technologie actuelle et qu’il réduirait le coût des voyages lunaires en réduisant le besoin de fusées gourmandes en gaz.

Les auteurs estiment que cela pourrait faciliter des expéditions scientifiques plus fréquentes sur la Lune et peut-être même des entreprises industrielles, telles que l’extraction de minéraux rares qui sont abondants sur la surface lunaire. Penoyre explique dans un communiqué : « La Spaceline deviendrait une infrastructure, un peu comme un ancien chemin de fer, permettant la circulation facile des personnes et des fournitures dans l’espace ».

Le graphène remplit toutes les conditions d’un super-matériau

Comme mentionné précédemment, en dehors de l’idée de Penoyre et Sandford, le concept de base d’un ascenseur spatial est de lancer un satellite en orbite géosynchrone, d’abaisser un câble jusqu’à la surface de la Terre, puis de l’utiliser pour faire monter et descendre des voyageurs dans l’espace. Toutes les parties d’un ascenseur spatial peuvent être fabriquées avec la technologie d’aujourd’hui, à l’exception d’un élément : le câble.

Il nécessite un matériau suffisamment solide et léger pour supporter son propre poids plus celui de la charge utile. L’attache aurait 100 000 kilomètres de long et 1 mètre de large. Jusqu’à récemment, le seul matériau candidat était les nanotubes de carbone, mais la fabrication de ce matériau dans les quantités nécessaires s’est avérée trop difficile.

Récemment, des scientifiques de l’International Space Elevator Consortium (ISEC) ont affirmé qu’un processus de fabrication rentable pourrait produire des rubans de graphène suffisamment solides pour façonner ce câble. Leurs dernières découvertes ont été détaillées dans un article présenté lors du Congrès international d’astronomie en septembre 2022, à Paris, comme le rapporte Inverse.

Il faut savoir qu’en 2010, deux scientifiques de l’Université de Manchester, au Royaume-Uni, ont remporté le prix Nobel de Physique pour avoir découvert et isolé un nouveau matériau, le graphène. Le graphène est une nouvelle forme de carbone, 200 fois plus résistante que l’acier, mais flexible et transparente. C’est le meilleur conducteur de chaleur et d’électricité au monde. Il a le point de fusion le plus élevé de tous les matériaux connus et est non toxique. Le graphène est suffisamment solide et suffisamment léger pour un ascenseur spatial.

Il existe trois formes principales de graphène : la poudre de graphène, le graphène monocristallin et le graphène polycristallin. Le graphène monocristallin est le terme utilisé pour décrire une feuille de graphène à grande échelle sans défaut. Il s’agirait de la forme utilisable pour le câble.

Mais sa réalisation était impossible jusqu’à ce que les Chinois la fabriquent en laboratoire en juillet 2017. Depuis lors, d’autres laboratoires en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis ont fabriqué du graphène monocristallin, produisant une feuille d’un demi-mètre de long, avec des résistances à la traction qui pourraient soutenir l’ascenseur spatial. Mais à titre de comparaison, la plus longue passerelle au monde, le Sky Bridge en République tchèque, inaugurée en mai 2022, ne fait que 721 mètres de long.

En 2021, la société américaine General Graphene a fourni à l’ISEC des échantillons de graphène polycristallin en couches allant d’un atome d’épaisseur à 30 atomes d’épaisseur. Une attache d’ascenseur spatial aurait une épaisseur d’environ 12 000 atomes à son point le plus épais. Les auteurs de l’étude, le Dr Nixon et ses collègues, ont alors examiné les avantages du graphène monocristallin 2D par rapport à d’autres matériaux.

Comme ils le concluent, très peu de progrès ont été réalisés dans la fabrication des nanotubes de carbone au cours des trois dernières décennies. Le processus est extrêmement lent et les tubes qui en résultent ne sont jamais assez longs. En effet, ils peuvent actuellement être fabriqués à des longueurs inférieures au mètre, très lentement. Si un nanotube pouvait être fait d’un mètre de long, cela prendrait 11 jours !

Et bien que le nitrure de bore hexagonal (hBN) soit robuste en matière de résistance à la traction et que le processus de fabrication soit prometteur, il n’est pas encore à l’échelle et aux vitesses nécessaires pour créer une attache, contrairement au graphène. Ce dernier, sous sa forme polycristalline, peut déjà être fabriqué à des longueurs d’un kilomètre et à une vitesse de 2 mètres par minute.

À l’heure actuelle, le Dr Nixon et ses collègues estiment qu’avec le bon soutien et le bon développement, le prix de production de feuilles de graphène 2D monocristallines pourrait chuter à 1 cent par mètre carré, ce qui signifie qu’une attache pourrait être construite pour 3,6 milliards de dollars américains (environ 15% du budget 2022 de la NASA).

Et si l’ascenseur tombe en panne ?

De prime abord, le concept d’ascenseur spatial rend sceptique un certain nombre de personnes de par les contraintes techniques. Qu’en est-il lorsque la question qui se pose est celle de l’incident technique ? En d’autres termes, que faire si le câble se rompt ? Plusieurs scénarios peuvent être envisagés.

Premier cas de figure : si le câble de l’ascenseur est coupé à son point d’ancrage sur Terre, la force vers l’extérieur exercée par le contrepoids ferait monter tout l’ascenseur vers le haut sur une orbite plus élevée, ou il échapperait complètement à la gravité terrestre.

Deuxième cas de figure : si la rupture se produisait à une altitude plus élevée, jusqu’à environ 25 000 kilomètres, la partie inférieure de l’ascenseur descendrait sur Terre et se draperait le long de l’équateur à l’est du point d’ancrage, tandis que la partie supérieure désormais déséquilibrée s’élèverait à une orbite supérieure. Des simulations de Rhett Allain pour le site Wired confirment cet enroulement autour de la Terre.

VIDÉO : Simulation de la casse du câble d’un ascenseur spatial. © Rhett Allain

Enfin, troisième cas de figure : si la rupture se produisait du côté du contrepoids de l’ascenseur, la partie inférieure, comprenant la « gare centrale » de l’ascenseur, commencerait à tomber et continuerait jusqu’à sa rentrée dans l’atmosphère, où elle brûlerait ou impacterait la surface. Un mécanisme pour couper immédiatement le câble sous la station empêcherait la rentrée de la station et entraînerait sa poursuite sur une orbite haute et légèrement modifiée.

Des simulations ont montré que lorsque la partie descendante de l’ascenseur spatial « s’enroule autour » de la Terre, la contrainte sur la longueur restante du câble augmente, ce qui entraîne la rupture de ses sections supérieures et son éjection. Les détails de la rupture de ces pièces et les trajectoires qu’elles empruntent sont très sensibles aux conditions initiales.

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Finalement, l’idée d’un ascenseur spatial ne relève plus expressément de la science-fiction. Les nombreux projets en cours et les structures testées nous autorisent à imaginer dans un futur assez proche (tout est relatif) la possibilité de se rendre dans l’espace dans une simple « boîte » le long d’un très grand câble… La confiance dans les ingénieurs devra cependant être totale !

Pour conclure, voici un aperçu artistique d’un ascenseur spatial, une animation réalisée par le fondateur de Trust My Science, Jonathan Paiano :

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