Les ascenseurs spatiaux sont moins de science-fiction que vous ne le pensez

Les ascenseurs spatiaux sont souvent considérés comme un rêve de science-fiction, mais je pense qu’ils existeront bientôt, peut-être dans deux ou trois décennies. Tout au long de ma carrière d’ingénieur en aérospatiale et de professeur de physique, je reviens sans cesse au concept d’un câble s’étendant de la Terre à l’espace, le long duquel les personnes et les marchandises peuvent facilement voyager. Au cours des dernières années, d’autres chercheurs et moi-même avons trouvé de nouvelles façons de bricoler des conceptions et de répondre à des questions sur le fonctionnement des ascenseurs spatiaux.

Il existe de nombreuses raisons de construire un ascenseur spatial. La plus évidente est la grande économie d’énergie et de coûts ; c’est un moyen beaucoup plus pratique de se rendre en orbite que les fusées. Une autre raison souvent négligée est l’accessibilité. Le mot « mission spatiale » serait remplacé par « transit », car les voyages dans l’espace deviendraient routiniers et la plupart du temps indépendants des conditions météorologiques. Les transits impliquant des humains seraient plus sûrs que les pratiques actuelles, selon lesquelles les astronautes doivent accepter un risque non négligeable pour leur vie à chaque lancement. Un ascenseur spatial devient un pont vers l’ensemble du système solaire. Libérez une charge utile dans la partie inférieure et vous orbitez autour de la Terre, mais faites-le dans la partie supérieure et vous orbitez autour du soleil ; le tout sans carburant.

Bien que je puisse apparaître comme un défenseur des ascenseurs spatiaux, la vérité est que j’aime simplement étudier leur mécanique. Dans un monde aux problèmes monumentaux, rêver de tels projets me permet d’envisager un scénario où nous sommes devenus les gardiens responsables de cette planète.

Mon histoire commence en 2004, alors que j’étais étudiant à la maîtrise et que j’étais assis dans le bureau du professeur Arun Misra, espérant qu’il superviserait ma thèse. Misra était le principal expert spatial du département de génie mécanique de l’Université McGill, alors j’étais plus qu’un peu intimidé. La conversation s’est déroulée à peu près comme suit :

Moi : Quel type de recherche pensez-vous que je pourrais faire ?

Misra : Avez-vous déjà entendu parler d’un ascenseur spatial ?

Moi : Non. Qu’est-ce que c’est ?

Misra : Imaginez un câble de 100 000 kilomètres de long qui s’étend de l’équateur terrestre et est fixé à un satellite à l’extrémité. Le système tourne avec la Terre. Les grimpeurs peuvent escalader le câble transportant des charges utiles, puis les relâcher dans l’espace. Je pensais que vous pourriez étudier la dynamique de ce système.

Moi : Ça a l’air… dur.

Misra : Votre travail ne sera pas difficile. Construire un véritable ascenseur spatial ici sur Terre….
Ce sera difficile.

Flash avant quelques années. Je venais de publier mon mémoire de maîtrise, intitulé La dynamique d’un ascenseur spatial. Je travaillais maintenant comme ingénieur dans la conception de satellites. Pendant le week-end, mon ami m’a présenté à son copain Colin comme “le gars de l’ascenseur spatial”. Ma femme roula des yeux. J’ai expliqué à Colin comment un ascenseur spatial pouvait fonctionner.

Moi : Si vous vous teniez sur l’équateur et que vous fixiez un satellite sur une orbite géosynchrone (à environ 36 000 kilomètres d’altitude), il semblerait fixe dans l’espace, tournant sans connexion autour de la Terre une fois par jour parce que sa vitesse est juste. Maintenant, ce satellite laisse tomber un câble vers la Terre, tout en utilisant simultanément du carburant pour monter plus haut. Le câble est fixé à l’extrémité terrestre lorsque le satellite atteint juste la bonne altitude, et le système toujours tourne avec la Terre. Le câble devient la voie que les grimpeurs mécaniques escaladent comme des trains sur un chemin de fer vertical, délivrant des charges utiles dans l’espace.

Colin : Mais qu’est-ce qui maintient le câble tendu ?

Moi : Une combinaison d’effets gravitationnels et centrifuges, qui se font concurrence et varient le long du câble. En dessous de l’orbite géosynchrone, la gravité l’emporte, et au-delà, les effets centrifuges l’emportent. Le résultat est une tension continue, avec un maximum exactement sur l’orbite géosynchrone.

Colin : C’est vendredi soir. Utilisez des mots plus petits.

Moi : Pour le construire, nous avons besoin d’un matériau dont la résistance spécifique est environ 50 fois supérieure à celle de l’acier. Mais, en attendant, moi et une poignée d’autres personnes dans le monde prétendons que ce problème sera résolu et abordons d’autres aspects techniques des ascenseurs spatiaux pendant que nous attendons.

Colin : Rad.

Ma femme et moi avons croisé Colin à nouveau en 2014. “Comment va cet ascenseur spatial?” Il a demandé. Ma femme a fermé les yeux, son visage disant: “S’il vous plaît, non.”

Colin : Ce que je ne comprends pas, c’est pourquoi tout le câble n’est-il pas arraché lorsqu’un grimpeur est chargé dessus ?

Moi : Si un grimpeur est situé sous GEO, en particulier près de la Terre, la pointe du câble descend légèrement et le profil de tension le long du câble change. Le vrai problème est que la portion de câble entre le grimpeur et la Terre subit une chute de tension (comme si vous teniez une bande élastique verticalement en tension, puis que vous apposiez une masse à mi-chemin). Si la tension tombait à zéro, le câble ne serait plus tendu et la structure perdrait sa stabilité inhérente. Il s’avère qu’un grimpeur (et tout ce qu’il transporte) pourrait avoir une masse maximale d’environ 1 % de la masse totale du câble. C’est quand même beaucoup de masse, car le câble devrait faire des centaines de tonnes.

Colin : Comment se présente ce matériel de câble ?

Moi : Je te l’ai dit, ce n’est pas mon truc.

Colin : Vas-y mec !

Nous sommes maintenant en 2022. Je présentais récemment un résumé de mes près de deux décennies de travail occasionnel sur les ascenseurs spatiaux lors d’un séminaire au Collège Vanier, où j’enseigne la physique. La conversation se termine et la partie questions-réponses commence.

Élève 1 : Quand le matériel pour la construction de l’ascenseur sera-t-il prêt ?

Moi : Alors que la synthèse de matériaux potentiellement adaptés a progressé ces dernières années, nous sommes encore à au moins 10 ans d’une solution matérielle (ayant des propriétés adéquates, et pouvant être fabriquée raisonnablement rapidement à un coût raisonnable). Il n’est pas rare que les nouvelles technologies attendent une meilleure science des matériaux, et heureusement, la recherche sur les matériaux progresse pour des raisons sans rapport avec les ascenseurs spatiaux.

Étudiant 2 : Ça a l’air vraiment cool. Mais pourquoi devrions-nous le construire ?

Moi : Quand on y pense, les fusées comme moyen de transport sont absurdes. Pour une mission spatiale typique, plus de 90 % de la masse totale sur la rampe de lancement est le carburant! C’est comme être dans une voiture sans moteur, juste un réservoir de carburant sous pression de 100 000 litres. Nous devons remplacer cette méthode inefficace d’échapper à la gravité terrestre par une route plus verte vers l’espace.

La NASA prévoit d’amener des humains sur Mars avant 2040. Je soupçonne que les gens marcheront effectivement sur Mars (au coût de centaines de milliards de dollars) avant que nous ayons un ascenseur spatial opérationnel, mais pour que cela soit une entreprise durable, nous allons besoin d’une infrastructure comme un ascenseur spatial, et mieux le plus tôt possible.

Étudiant 3 : Alors, quand pensez-vous qu’on en construira un ?

Moi : le célèbre auteur et ingénieur Arthur C. Clarke, dont le roman Les fontaines du paradis chronique la construction du premier ascenseur spatial, s’est posé cette question au début des années 1990. Sa célèbre réponse a été : “Probablement environ 50 ans après que tout le monde a cessé de rire.” Une réponse plus moderne pourrait être : “Nous saurons que nous sommes proches quand Elon Musk commencera à s’en attribuer le mérite.”

Aujourd’hui, je me sens comme si j’étais assise nerveusement dans le bureau d’Arun (oui, nous travaillons toujours ensemble, et je l’appelle maintenant ainsi, et ce sera toujours un peu bizarre). Cette élégante avenue vers l’espace capte mon imagination et me remplit d’espoir.

Ceci est un article d’opinion et d’analyse, et les opinions exprimées par l’auteur ou les auteurs ne sont pas nécessairement celles de Scientifique américain.