Les ascenseurs spatiaux se rapprochent de la réalité

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Lorsque les gens ont commencé à explorer l’espace dans les années 1960, il en coûtait plus de 80 000 $ (ajusté en fonction de l’inflation) pour mettre un livre unique de la charge utile en orbite terrestre basse.

L’une des principales raisons de ce coût élevé était la nécessité de construire une nouvelle fusée coûteuse pour chaque lancement. Cela a vraiment commencé à changer lorsque SpaceX a commencé à fabriquer des fusées bon marché et réutilisables, et aujourd’hui, la société transporte les charges utiles des clients vers LEO au prix de seulement 1 300 dollars la livre.

Cela rend l’espace accessible aux scientifiques, aux startups et aux touristes qui n’auraient jamais pu se le permettre auparavant, mais le le moins cher moyen d’atteindre l’orbite pourrait ne pas être une fusée du tout, cela pourrait être un ascenseur.

L’ascenseur spatial

Les graines d’un ascenseur spatial ont été plantées pour la première fois par le scientifique russe Konstantin Tsiolkovsky en 1895, qui, après avoir visité la tour Eiffel de 1 000 pieds de haut, a publié un article théorisant sur la construction d’une structure 22 000 milles haut.

Cela donnerait accès à l’orbite géostationnaire, une altitude où les objets semblent rester fixés au-dessus de la surface de la Terre, mais Tsiolkovsky a concédé qu’aucun matériau ne pouvait supporter le poids d’une telle tour.

En 1959, peu après Spoutnik, l’ingénieur russe Yuri N. Artsutanov a proposé une solution à ce problème : au lieu de construire un ascenseur spatial à partir de zéro, commencez par le haut.

Plus précisément, il a suggéré de placer un satellite en orbite géostationnaire et de laisser tomber une attache de celui-ci jusqu’à l’équateur terrestre. Au fur et à mesure que l’attache descendait, le satellite montait. Une fois attachée à la surface de la Terre, la longe serait maintenue tendue, grâce à une combinaison de forces gravitationnelles et centrifuges.

Nous pourrions alors envoyer des véhicules grimpeurs électriques de haut en bas pour livrer des charges utiles à n’importe quelle orbite terrestre.

Selon le physicien Bradley Edwards, qui a étudié le concept pour la NASA il y a environ 20 ans, cela coûterait 10 milliards de dollars et prendrait 15 ans pour construire un ascenseur spatial, mais une fois opérationnel, le coût d’envoi d’une charge utile à n’importe quel L’orbite terrestre pourrait être aussi basse que 100 $ la livre.

Une fois que vous réduisez le coût à presque un niveau de type Fed-Ex, cela ouvre les portes à de nombreuses personnes, à de nombreux pays et à de nombreuses entreprises pour s’impliquer dans l’espace, a déclaré Edwards à Space.com en 2005.

En plus des avantages économiques, un ascenseur spatial serait également plus propre que l’utilisation de fusées, il n’y aurait pas de combustion de carburant, pas d’émissions de gaz à effet de serre nocives et le nouveau système de transport ne contribuerait pas au problème des déchets spatiaux au même degré que les fusées consommables.

Alors, pourquoi n’en avons-nous pas encore?

Problèmes d’attache

Edwards a écrit dans son rapport pour la NASA que toute la technologie nécessaire pour construire un ascenseur spatial existait déjà sauf le matériau nécessaire à la construction de l’attache, qui doit être léger mais aussi suffisamment solide pour résister à toutes les forces énormes qui agissent sur lui.

La bonne nouvelle, selon le rapport, était que le matériau parfait, les nanotubes de carbone ultra-résistants et ultra-minuscules, serait disponible en seulement deux ans.

[S]L’acier n’est pas assez solide, pas plus que le Kevlar, la fibre de carbone, la soie d’araignée ou tout autre matériau autre que les nanotubes de carbone, a écrit Edwards. Heureusement pour nous, la recherche sur les nanotubes de carbone est extrêmement chaude en ce moment, et elle progresse rapidement vers la production commerciale.

Malheureusement, il a mal évalué à quel point il serait difficile de synthétiser des nanotubes de carbone à ce jour, personne n’a été capable d’en faire pousser un de plus de 21 pouces.

Des recherches plus approfondies sur le matériau ont révélé qu’il avait également tendance à s’effilocher sous des contraintes extrêmes, ce qui signifie que même si nous pouvions fabriquer des nanotubes de carbone aux longueurs nécessaires, ils risqueraient de se casser, non seulement de détruire l’ascenseur spatial, mais de menacer des vies sur Terre.

Regarder vers l’avant

Les nanotubes de carbone ont peut-être été le premier précurseur en tant que matériau d’attache pour les ascenseurs spatiaux, mais il existe d’autres options, y compris le graphène, une forme de carbone essentiellement bidimensionnelle qui est déjà plus facile à mettre à l’échelle que les nanotubes (mais toujours pas facile).

Contrairement au rapport d’Edwards, les chercheurs de l’Université Johns Hopkins Sean Sun et Dan Popescu disent que les fibres de Kevlar pourrait travail dont nous aurions juste besoin pour réparer constamment la longe, de la même manière que le corps humain répare constamment ses tendons.

À l’aide de capteurs et de logiciels artificiellement intelligents, il serait possible de modéliser mathématiquement l’ensemble de l’attache afin de prédire quand, où et comment les fibres se briseraient, ont écrit les chercheurs dans Aeon en 2018.

Quand ils l’ont fait, des grimpeurs robotiques rapides patrouillant le long de l’attache les remplaceraient, ajustant le taux d’entretien et de réparation selon les besoins, imitant la sensibilité des processus biologiques, ont-ils poursuivi.

Il pourrait être construit à partir de fibres déjà produites en série et relativement abordables.

Zéphyr Penoyre & Emilie Sandford

Les astronomes de l’Université de Cambridge et de l’Université de Columbia pensent également que le Kevlar pourrait fonctionner pour un ascenseur spatial si nous le construisions à partir de la lune plutôt que de la Terre.

Ils appellent leur concept la Spaceline, et l’idée est qu’une attache attachée à la surface des lunes pourrait s’étendre vers l’orbite géostationnaire de la Terre, maintenue tendue par l’attraction de la gravité de nos planètes. Nous pourrions ensuite utiliser des fusées pour livrer des charges utiles et potentiellement des personnes à des robots grimpeurs à énergie solaire positionnés au bout de cette longe de plus de 200 000 milles. Les robots pourraient alors remonter la ligne jusqu’à la surface des lunes.

Cela n’éliminerait pas la nécessité pour les fusées d’entrer en orbite terrestre, mais ce serait un moyen moins coûteux d’atteindre la lune. Les forces agissant sur un ascenseur spatial lunaire ne seraient pas aussi fortes que celles s’étendant de la surface de la Terre, soit, selon les chercheurs, ouvrant plus d’options pour les matériaux d’attache.

[T]La résistance nécessaire du matériau est bien inférieure à celle d’un ascenseur terrestre et il pourrait donc être construit à partir de fibres déjà produites en série et relativement abordables, ont-ils écrit dans un article partagé sur le serveur de préimpression arXiv.

Certains chercheurs chinois, quant à eux, n’abandonnent pas l’idée d’utiliser des nanotubes de carbone pour un ascenseur spatial en 2018, une équipe de l’Université de Tsinghua a révélé qu’ils avaient développé des nanotubes qui, selon eux, sont suffisamment solides pour une attache.

Les chercheurs travaillent toujours sur la question de l’augmentation de la production, mais en 2021, le média d’État Xinhua a publié une vidéo illustrant un concept en cours de développement, appelé Sky Ladder, qui consisterait en des ascenseurs spatiaux au-dessus de la Terre et de la Lune.

Après avoir remonté l’ascenseur spatial basé sur Terre, une capsule volerait vers une station spatiale attachée à l’attache de celle basée sur la Lune. Si le projet pouvait être réalisé, un énorme si la Chine prédit que Sky Ladder pourrait réduire de 96% le coût d’envoi de personnes et de marchandises sur la Lune.

La ligne du bas

Au cours des 120 années qui se sont écoulées depuis que Tsiolkovsky a regardé la Tour Eiffel et pensé chemin des progrès considérables et considérables ont été réalisés dans le développement de matériaux dotés des propriétés nécessaires à un ascenseur spatial. À ce stade, il semble probable que nous pourrions un jour disposer d’un matériau pouvant être fabriqué à l’échelle nécessaire pour une attache, mais le temps que cela se produise, le besoin d’un ascenseur spatial pourrait s’être évaporé.

Plusieurs sociétés aérospatiales progressent avec leurs propres fusées réutilisables, et à mesure que celles-ci rejoignent le marché avec SpaceX, la concurrence pourrait entraîner une nouvelle baisse des prix de lancement.

La startup californienne SpinLaunch, quant à elle, développe une centrifugeuse massive pour lancer des charges utiles dans l’espace, où des fusées beaucoup plus petites peuvent les propulser en orbite. Si la société réussit (un autre de ces grands si), elle indique que le système réduirait de 70 % la quantité de carburant nécessaire pour atteindre l’orbite.

Même si SpinLaunch ne décolle pas, plusieurs groupes développent des carburants de fusée respectueux de l’environnement qui produisent beaucoup moins (ou pas) d’émissions nocives. Plus de travail est nécessaire pour augmenter efficacement leur production, mais surmonter cet obstacle sera probablement beaucoup plus facile que de construire un ascenseur de 22 000 milles vers l’espace.

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