"Il n'y a pas de radars dans l'espace...heureusement!"

 

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Ajouté le 20:35 à 16/2/2009
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Le climat de la planète (Science, décembre 2007)

 

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Ajouté le 23:49 à 5/4/2008
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résumé de la conférence "Un ascenseur pour l’espace"

 

« Comme toujours, tout a commencé avec TsiolkovskiÂ… Â» a déclaré Arthur Clarke, le célèbre écrivain de science fiction. Il faisait allusion à Konstantin Edouardovitch Tsiolkovski, reconnu aujourdÂ’hui comme le père de lÂ’astronautique et dont l’équation régit la propulsion des fusées.

En 1895, lÂ’image de la Tour Eiffel, à l’époque l’édifice le plus élevé que lÂ’homme ait bâti, inspira à Tsiolkovski lÂ’idée dÂ’une tour gigantesque, de 36000 kilomètres de haut. Un ascenseur permettrait de gravir cette tour jusqu’à un château céleste construit au sommet, au point géostationnaire, et voici comment Tsiolkovski décrivait ce quÂ’un voyageur y ressentirait :  « Au fur et à mesure que lÂ’on s’élève dans une telle tour, la gravité décroît régulièrement, sans changer de direction. À une hauteur de 36000 kilomètres, elle est complètement annihilée, puis elle se fait sentir à nouveau, mais sa direction est inversée, de telle sorte quÂ’une personne aurait la tête tournée vers la terre Â… ».

Tsiolkovski était parfaitement conscient qu’à son époque, cela était du domaine de la fiction, comme la tour de Babel ou le haricot magique de Jack. Mais le 31 juillet 1960, dans le supplément du dimanche de la Komsomolskaïa Pravda, journal pour les jeunes, un ingénieur russe de Leningrad, aujourdÂ’hui Saint-Pétersbourg, Youri Nikolaevitch Artsutanov, faisait paraître un article intitulé : « Vers le cosmos en train électrique Â». Il y décrivait un câble, fixé à l’équateur, beaucoup plus long que les 36000 kilomètres nécessaires pour atteindre le point géostationnaire, le long duquel on ferait circuler un train électrique. Du fait de sa longueur, la force centrifuge liée à la rotation de la terre le maintiendrait sous tension, comme une gigantesque fronde, et ce câble pendrait vers le ciel, comme la corde indienne, mais sans magie.

L’idée a été réinventée par un groupe d’océanographes américains, John D. Isaacs et ses collaborateurs en 1967, puis par Jérôme Pearson, un ingénieur de la NASA, en 1975, lesquels ont refait les mêmes calculs qu’Artsutanov, si l’on en juge par l’analogie des résultats. Mais le concept n’a atteint le grand public que lorsque Arthur Clarke a décrit un ascenseur spatial dans son roman The Fountains of Paradise (Les Fontaines du Paradis) en 1978.

Toutefois, il nÂ’existait pas de matériaux suffisamment résistants pour construire un tel câble et tout cela restait du domaine de la science fiction. Mais en 1991, un chercheur japonais du nom de Sumio Iijima découvrait les nanotubes, molécules faites uniquement dÂ’atomes de carbone, gigantesques cigarettes moléculaires dont le diamètre mesure quelques milliardièmes de mètre et dont la longueur peut atteindre des centimètres. La résistance mécanique de ce matériau est environ 50 fois supérieure à celle du meilleur acier. Un fil de nanotubes de 1 millimètre de diamètre pourrait supporter une charge de 10 tonnes. Cette résistance serait suffisante pour confectionner le câble dÂ’un ascenseur spatial si toutefois on parvient à créer des fibres composites de nanotubes, analogues aux fibres de verre ou de carbone que lÂ’on utilise couramment à lÂ’heure actuelle. Cette utilisation dÂ’un matériau composite nÂ’est pas nouvelle. Nos ancêtres la mettaient déjà en pratique 4000 ans avant notre ère lorsquÂ’ils renforçaient leurs briques de boue avec de la paille ! LÂ’intérêt économique dÂ’un tel matériau est tel, et pas seulement pour un ascenseur spatial, que beaucoup dÂ’efforts sont faits dans ce sens.

En 1999, un jeune chercheur, Bradley Carl Edwards, obtenait de la NASA une bourse pour étudier la faisabilité dÂ’un ascenseur spatial et son rapport était tellement convaincant que la NASA créait une « non-profit company Â» (société à but non lucratif) pour mettre au point tous les détails, techniques, logistiques et financiers, dÂ’une telle entreprise. Les résultats de cette étude sont consignés dans un livre de Bradley Edwards et Eric A. Westling, The Space Elevator : A revolutionary Earth-to-space transportation system, qui fait maintenant autorité en la matière.

Bien sûr, l’hypothèse de base de cette étude est que l’on réussira à confectionner le câble. Edwards a spéculé qu’un composite constitué de 98 % de nanotube et 2 % de résine époxy (le liant nécessaire à la cohésion de la fibre) atteindra la résistance nécessaire, soit environ 650.000 kilos par centimètre carré (à comparer avec les 50.000 du meilleur acier). Le résultat serait un câble de 96.000 kilomètres de long avec une masse de 752 tonnes, soit 7,5 kilos par kilomètre. Il s’agirait en fait d’un ruban d’un mètre de large et d’une épaisseur de quelques microns. Un contrepoids de 620 tonnes fixé à l’extrémité libre du câble assurerait la stabilité de l’ensemble, et un tel équipage garantirait un facteur de sécurité de 2. Le long de ce câble circulerait une cabine roulant sur le ruban, l’ascenseur proprement dit, dont le principe a déjà été testé au MIT. Ce câble pourrait hisser 20 tonnes, dont 12 tonnes de charge utile, tous les 4 jours, en admettant que la cabine se déplace à 200 kilomètres à l’heure.

Toutes les sources d’énergie capables d’alimenter le moteur de la cabine ont été examinées. Seule une alimentation par laser, situé au niveau du sol, focalisé sur des capteurs photovoltaïques solidaires de la cabine, semble répondre à toutes les contraintes de poids, de sécurité, et d’intensité d’énergie, par la transformation de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Pour que le laser reste focalisé sur la surface sensible de la cabine, on utiliserait un miroir déformable, à géométrie adaptable, du même type que ceux que l’on utilise en astronomie pour s’affranchir des aberrations optiques liées aux perturbations atmosphériques. On envisage même d’utiliser deux lasers, situés au sol, ou sur la mer, distants de quelques centaines de kilomètres, pour que l’alimentation de la cabine ne soit pas interrompue dans le cas où l’un des sites serait masqué par une couche nuageuse.

Selon le scénario imaginé pour le déploiement du câble, un vaisseau spatial, évidemment propulsé par réaction, serait envoyé en orbite géostationnaire en emportant un petit câble dÂ’environ 300 kilos. Ce câble serait déployé vers le sol. Pendant ce déploiement, le vaisseau s’éloignerait de la terre pour que le centre de gravité de lÂ’ensemble reste au niveau géostationnaire. Quand lÂ’extrémité du câble toucherait le sol, il serait saisi et amarré. Après quoi, progressivement, dÂ’autres cabines, environ 200, seraient envoyées par le câble initial pour le renforcer jusqu’à compléter le câble de haute capacité prévu. Les cabines de transport des câbles partiels seraient utilisées pour constituer le contrepoids cité plus haut, tout comme le vaisseau initial. Un tel processus prendrait moins de trois ans. Cela apparaît comme une tâche démentielle, mais pensez quÂ’il y a 310.000 kilomètres de câbles transocéaniques dont lÂ’un  mesure 28.000 kilomètres et que le premier câble transatlantique a fonctionné en 1858 !

Le point d’amarrage choisi serait une base flottante située à l’équateur. L’équateur, qui est l’endroit optimum pour placer un système géostationnaire, est aussi l’endroit de la terre où les perturbations atmosphériques, en particulier les ouragans et la foudre, sont les plus faibles. L’endroit choisi se situe dans le Pacifique, à environ 3.000 kilomètres à l’ouest des Galápagos, dans une zone isolée facile à protéger de saboteurs éventuels et localisé à 600 kilomètres de toute ligne aérienne.

En plus de lÂ’aspect technique, l’équipe de Bradley Edwards sÂ’est efforcée de prévoir tous les autres dangers encourus par  leur édifice et les moyens dÂ’y remédier.

Par exemple, il a fallu s’assurer que la fréquence naturelle de vibration du câble ne rentrera pas en résonance avec une autre fréquence naturelle, ce qui pourrait détruire l’ensemble, à l’instar de la troupe marchant au pas sur un pont. On a calculé que cette fréquence est de l’ordre de 7 heures, donc très éloignée des 12 et 24 heures liées à la rotation terrestre et aux mouvements relatifs de la lune et du soleil. De plus, des oscillations éventuellement induites par le vent pourraient être amorties par des mouvements appropriés la base flottante.

Par ailleurs, les nanotubes sont des bons conducteurs de l’électricité et, comme le câble qui accompagne la rotation de la terre traversera les champs magnétiques circumterrestres, il en résulterait un courant électrique qui pourrait s’avérer dangereux. Heureusement, le calcul montre que le courant ainsi créé ne serait que de quelques milliampères, ce qui est sans danger.

Les rayonnements durs (rayons X, g, électrons, protons,…) autour de la terre peuvent atteindre des valeurs très élevées (jusqu’à 3 Mrads par an), mais, d’après des études expérimentales récentes, des composites fibres de carbone époxy ont supporté 10.000 rads. Par contre, on ignore comment de tels composites se comporteraient vis-à-vis des rayons UV solaires.

Même si le câble et les charges utiles supportent tous les rayonnements que nous venons de  décrire, il nÂ’en va pas de même pour les êtres humains. Dans un premier temps, il semble bien que les cosmonautes ne pourraient pas survivre aux doses accumulées pendant les quatre jours de voyage jusquÂ’au point géostationnaire. A moins que lÂ’on ne découvre une méthode originale de protection contre les rayonnements durs (comme un champ de force électromagnétique engendré par des aimants supraconducteurs par exemple), il faudra attendre la mise au point des cabines à sustentation magnétique qui se déplaceront sans contact avec le câble, pouvant atteindre des vitesses aussi élevées que 6.000 kilomètres à lÂ’heure, ce qui mettrait le point géostationnaire à six heures de voyage.

Un autre danger pour le câble vient de l’oxygène atomique qui existe dans la partie haute de l’atmosphère terrestre. Ces atomes proviennent de la décomposition de l’oxygène moléculaire, celui que nous respirons journellement, par les rayonnements dont nous venons de parler. Il s’agit d’entités extrêmement corrosives et un matériau non protégé pourrait se détériorer de façon notable. Mais des essais de longue durée (presque six ans) ont montré que l’or et le platine ne subissent aucune détérioration. Bradley Edwards propose donc de protéger le câble avec un revêtement métallique, du nickel par exemple, de 2,5 microns d’épaisseur dans la zone des 60 à 800 kilomètres où le risque de corrosion existe. On ignore évidemment comment un tel revêtement résisterait aux sollicitations mécaniques liées aux déplacements des cabines, mais il n’ajouterait qu’un minimum de masse au câble.

De nombreux micrométéorites passent à proximité de la terre et constituent une grave menace pour le câble. En fait, les calculs montrent que si le ruban du câble est incurvé au lieu d’être plan,  il peut résister à des météorites de 30 centimètres de diamètre. Il sera donc nécessaire de repérer de tels objets et leurs trajectoires pour les éviter, soit en déplaçant la base flottante soit en imprimant au câble une oscillation suffisante. Pour les objets plus petits que lÂ’on ne pourra éviter, il sera nécessaire de composer le câble de fibres parallèles de quelques microns de diamètre et de quelques dizaines de mètres à des kilomètres de longueur avec des renforts transversaux, analogues à des bandes adhésives transversales placées tous les quelques mètres par exemple.

LÂ’un des dangers les plus graves encouru par le câble provient de tous les objets qui encombrent lÂ’environnement terrestre dans la zone des 400 à 1700 kilomètres de la surface du sol. Cet environnement, désertique avant le 7 octobre 1957, c'est-à-dire jusquÂ’au lancement du premier spoutnik pour le centième anniversaire de la naissance de Tsiolkovski, est aujourdÂ’hui envahi par plus de 10000 objets dÂ’un diamètre supérieur à 10 centimètres, dont seulement 800 ont un rôle « actif Â» pour les communications, la science, la météo, la navigation, les militaires, etc. Ils sont constamment suivis par plusieurs centres dÂ’observation, mais on estime que le câble pourrait être touché par un de ces objets de diamètre supérieur à un centimètre toutes les 14 heures. Il sera donc nécessaire de pratiquer fréquemment des manÂœuvres d’évitement comme pour les micrométéorites.

Tous ces dangers étant supposés maîtrisés, la première utilisation de l’ascenseur spatial serait l’envoi de satellites terrestres pour les télécommunications, les usages scientifiques et militaires, comme ceux que l’on emploie actuellement en orbite basse ou stationnaire, dans le plan terrestre équatorial ou un plan incliné, mais avec un coût bien inférieur. Pour fixer les idées, le coût actuel de mise en orbite d’une charge utile est de l’ordre de 10000 dollars par kilo en orbite basse et de 80000 dollars par kilo en orbite géostationnaire, alors que le coût avec l’ascenseur spatial initial serait inférieur à 600 dollars par kilo. Dans un stade ultérieur, on a évoqué un coût de 10 dollars par kilo.

Pour bien comprendre cette différence de coût, songez que pour mettre en orbite un satellite géostationnaire équatorial, il suffit de le hisser par l’ascenseur à la bonne altitude, 36000 kilomètres, et de le laisser aller, rien d’autre. Pour une orbite géostationnaire inclinée, il sera nécessaire d’utiliser une correction de trajectoire par des fusées, mais la dépense sera bien inférieure à celle d’une propulsion par fusée à partir du sol.

Pour atteindre les orbites basses, disons dans la zone des 400 kilomètres au-dessus du sol, il ne suffit plus de laisser aller le satellite. En effet, le câble de lÂ’ascenseur tourne à la même vitesse angulaire que la terre et, si le long de son orbite à 36000 kilomètres au-dessus du sol, sa vitesse linéaire est de 10,8 kilomètres par seconde, elle nÂ’est plus que de 1,75 km/s vers 400 kilomètres dÂ’altitude. Pour obtenir les 8,2 km/s nécessaires à une orbite stable vers cette dernière altitude, il faudra hisser le satellite au-dessus de 23500 kilomètres dÂ’altitude, le laisser aller en une orbite elliptique  et circulariser cette orbite à lÂ’altitude désirée à lÂ’aide de fusées.

D’après Bradley Edwards, l’économie liée à toute activité en orbite, avec ou sans équipage, pourrait atteindre 99 %.

Les estimations du coût de la construction de l’ensemble sont inférieures au coût de la Station Spatiale Internationale, soit 40 milliards de dollars, et le coût de l’entretien, la maintenance comme l’on dit de nos jours, serait bien inférieure.

A plus long terme, il serait possible d’atteindre toutes les planètes du système solaire en libérant des astronefs à des altitudes de plus en plus élevées sur le câble, donc avec des vitesses linéaires de plus en plus élevées. Il serait toutefois nécessaire de prévoir des moyens de propulsion pour mettre l’astronef dans le plan de l’écliptique et le freiner à l’arrivée. Mais, là encore, l’économie serait énorme.

En fait, pouvoir hisser dans lÂ’espace des masses importantes, on envisage 5 tonnes par jour dans un premier stade, ouvrirait la voie à lÂ’exploitation du système solaire. En plus de lÂ’exploitation minière dÂ’astéroïdes, sans parler de la lune ou même de Mars, dÂ’industries électroniques et biologiques en apesanteur et dans le vide, on peut rêver de satellites à énergie solaire : des kilomètres carrés de miroirs réfléchiraient le rayonnement solaire vers des capteurs terrestres. DÂ’après des études de la NASA et de lÂ’ESA, lÂ’agence spatiale européenne, cette énergie non polluante serait compétitive avec les énergies fossiles si les coûts de mise en orbite géostationnaire descendaient au-dessous de 1100 dollars par kilo.

Arthur Clarke, à qui lÂ’on demandait quand un ascenseur spatial serait construit, a répondu en substance : «Cinquante ans après que tout le monde ait fini dÂ’en rire Â». Il a récemment abaissé ce délai à vingt ans. Il semble que beaucoup de gens aient fini de rire. Le troisième congrès international sur lÂ’ascenseur spatial sÂ’est tenu à Washington en juin 2004 et, depuis octobre 2004, les congrès internationaux dÂ’astronautique comportent une session « Ascenseur spatial Â». En octobre 2005, se sont tenues sous les auspices de la NASA deux compétitions portant lÂ’une sur la confection dÂ’un câble, lÂ’autre sur celle dÂ’une cabine alimentée en énergie par un faisceau lumineux, en lÂ’occurrence un projecteur commercial. Si les concurrents, en majeure partie des université, ont échoué, de peu pour certains, lÂ’impression générale a été résumée par Metzada Shelef, le fondateur de la Spaceward Foundation : « Ce qui sÂ’est produit ce week-end est analogue au premier vol motorisé des frères Wright ! Â». Le concours a été reconduit pour cette année, avec des récompenses nettement plus substantielles, et une bonne dizaine de compagnies privées se sont déjà inscrites.

Enfin la société LiftPort, qui, le 15 février 2006, a tendu grâce à trois ballons un câble de 1600 mètres en composite de nanotubes le long duquel une cabine a grimpé de 460 mètres, s’est engagé à répondre d’ici 2010 à la question de savoir si les nanotubes permettront de confectionner le câble capable de soutenir l’ascenseur spatial.

Et l’on se prend à rêver au réseau d’ascenseurs spatiaux entre les planètes, tels que des auteurs de science fiction l’ont imaginé.

Pour ceux qui voudraient se tenir au courant de lÂ’actualité dans ce domaine, je recommande le site : http://spaceelevator.com

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Ajouté le 21:08 à 29/3/2008
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