L'idée d'un ascenseur spatial passionne l'esprit de l'humanité depuis de nombreuses années, depuis le moment où le scientifique russe Konstantin Tsiolkovsky a formulé pour la première fois le concept et le concept en 1895. Inspiré par la Tour Eiffel récemment construite, il a décrit une structure autonome s'étendant du niveau du sol jusqu'à l'orbite géostationnaire. S'élevant à 36 mille kilomètres au-dessus de l'équateur et suivant le sens de rotation de la Terre, au point final avec une période orbitale d'exactement un jour, cette structure resterait dans une position fixe.

Des propositions plus détaillées ont émergé entre le milieu et la fin du XXe siècle, alors que la course à l'espace commençait et que les missions habitées en orbite autour de la Terre devenaient de plus en plus courantes. On espérait qu'un ascenseur spatial pourrait réduire considérablement le coût d'atteinte de l'orbite terrestre, révolutionnant ainsi l'accès à l'espace proche de la Terre, à la Lune, à Mars et même au-delà. Cependant, l’investissement initial et le niveau de technologie requis montraient clairement qu’un tel projet n’était pas réalisable et le reléguait au domaine de la science-fiction.

Dans les premières décennies du 21e siècle, le concept a commencé à être abordé plus sérieusement, puisque les technologies pour . Ces structures cylindriques étendues d'un diamètre de une à plusieurs dizaines de nanomètres peuvent être « tissées » en fils de longueur illimitée. De plus, ce matériau a une résistance suffisamment élevée et en même temps une faible densité nécessaire pour créer un câble d'ascenseur spatial.

La limitation est différente : jusqu’à présent, les nanotubes de carbone sont produits en petits volumes. Pas un seul câble « vers le ciel » ne suffit. En 2004, la longueur record d'un nanotube à paroi unique n'était que de 0,4 centimètre ; en 2006, les scientifiques ont réussi à allonger le nanoproduit jusqu'à 7 millimètres. En 2008, les scientifiques ont réussi à tisser un « tapis » à partir de nanotubes, dont la longueur atteignait 185 centimètres et la largeur 92 cm. Cependant, depuis lors, aucune nouvelle avancée n'a été enregistrée dans cette industrie. Cette technologie est très prometteuse, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour améliorer le processus de production.

Pendant ce temps, les scientifiques du monde entier continuent de développer l’idée d’un ascenseur spatial. Ainsi, les Japonais l'ont annoncé début 2012, fin 2012. En 2013, les médias ont rappelé les racines russes de « l'ascenseur spatial » et. Alors, quand ces idées apparemment folles deviendront-elles une réalité ?

Si l'on s'appuie sur les principes de la futurologie, utilise des méthodes d'extrapolation de données, suppose que la dynamique globale du financement activité scientifique restera au même niveau, prend en compte les composantes politiques, économiques et sociales, alors nous pouvons prédire avec assez de précision découvertes scientifiques, temps de création approximatif prototype, l'introduction de technologies dans la production de masse et le début de l'utilisation de produits basés sur celles-ci par la société. Par exemple, la loi de Moore est utilisée en électronique depuis plus de 40 ans.

Les futurologues confirment, à partir des faits, des travaux scientifiques et des tendances, qu'il faudra plusieurs décennies de recherche pour développer de nouveaux procédés de synthèse des nanotubes de carbone. Une telle découverte se produira vers les années 2040 et révolutionnera le domaine du génie mécanique et de la construction. Avec la capacité de « tisser » des nanotubes miniatures en fils plus longs, l’humanité recevra des matériaux à haute résistance (des centaines de fois plus résistants que l’acier et des dizaines de fois plus résistants que le Kevlar). Outre de nombreuses autres applications, la technologie permettant de construire un ascenseur spatial sera disponible. Imaginons que la force requise de 130 gigapascals ait été atteinte, et alors ? Des problèmes de conception subsistent. Par exemple, vous devez décider comment neutraliser les vibrations dangereuses dans le câble causées par l'attraction gravitationnelle de la Lune et du Soleil, ainsi que la pression résultant des rafales de vent solaire ?

Des difficultés juridiques et financières majeures doivent également être surmontées. De nouveaux accords internationaux sont nécessaires sur la sécurité des vols, la sûreté aérienne et l'indemnisation en cas d'accident ou d'incident terroriste. Le fonctionnement du mécanisme d’assurance est particulièrement préoccupant compte tenu de l’ampleur potentielle de la catastrophe en cas de problème. Entre-temps, des structures expérimentales plus petites seront construites pour démontrer les concepts de base à des altitudes plus basses. Cela ouvrira à terme la voie à des structures beaucoup plus grandes que celles

À la fin des années 2070, après 15 ans de construction active, l'ascenseur spatial, s'étendant de la surface de la Terre jusqu'à l'orbite géostationnaire, deviendra pleinement opérationnel. Le processus de construction consistera à placer le vaisseau spatial dans une position fixe à une altitude de 35 786 kilomètres au-dessus de l'équateur, puis à abaisser un câble qui s'étend progressivement vers la Terre. Il sera également posé vers le haut à partir de ce point - jusqu'à une altitude de plus de 47 000 kilomètres, où les objets ne seront pas soumis à la force gravitationnelle de la Terre. Un grand contrepoids sera situé à l’extrémité extérieure du câble pour maintenir le câble tendu. Le « point de référence » et l’emplacement de la station au sol de l’ascenseur spatial seront très probablement la Guyane française, l’Afrique centrale, le Sri Lanka ou l’Indonésie.

Comme pour la plupart des moyens de transport et des infrastructures de la fin du 21e siècle, l’ascenseur spatial sera contrôlé par des systèmes et des programmes. Ils surveilleront en permanence toutes les parties de la structure et maintiendront sa structure, son état de fonctionnement et ses performances. Si nécessaire, des robots peuvent être envoyés pour résoudre les problèmes du réseau de câbles ou d'autres composants d'ascenseur, du niveau du sol jusqu'au vide froid de l'espace.

L'ascenseur spatial va révolutionner l'industrie spatiale en mettant des personnes et des marchandises en orbite à un coût nettement inférieur à celui des lanceurs traditionnels. Plus de 1 000 tonnes de matériaux peuvent être transportées dans un espace sans air à l'aide d'un ascenseur en une seule journée, soit plus que le poids de la Station spatiale internationale, dont la construction a pris plus d'une décennie au tournant du siècle.

Bien entendu, une telle montée en puissance prend beaucoup de temps par rapport aux fusées, mais elle se produit de manière plus fluide, sans surcharges élevées et sans utilisation d'explosifs. Lorsqu'ils quittent l'atmosphère et atteignent une orbite terrestre basse, entre 160 et 2 000 kilomètres, les navires transportant des marchandises ou des passagers peuvent entrer sur leur propre orbite autour de la Terre. De plus, ils peuvent quitter l'orbite géosynchrone (il suffit d'ajouter de la vitesse) pour échapper à la gravité terrestre et continuer à voyager plus loin, vers des endroits plus éloignés, par exemple vers la Lune ou Mars.

Dans les décennies à venir, d’autres ascenseurs spatiaux fonctionneront au-delà de la Terre : sur la Lune, sur Mars et peut-être même dans d’autres parties du système solaire. Avec le développement de la technologie, le coût des nanotubes diminuera ainsi que les risques techniques. De plus, la construction d'ascenseurs sera plus pratique en raison de la faible gravité : 0,16 g sur la Lune et 0,38 g sur Mars.

Même si les années 2070 semblent si lointaines et inaccessibles pour beaucoup, compte tenu des problèmes scientifiques existants, c'est à vous et à moi de décider de ce que sera l'avenir et de la rapidité avec laquelle il viendra.

Nous remercions Mikhail Astakhov et le projet futurologique « The Future Now » pour la préparation de l'article.

L’un des principaux obstacles à la mise en œuvre de nombreux projets stellaires est qu’en raison de leur taille et de leur poids énormes, les navires ne peuvent pas être construits sur Terre. Certains scientifiques proposent de les collecter dans l'espace, où, grâce à l'apesanteur, les astronautes peuvent facilement soulever et déplacer des objets incroyablement lourds. Mais aujourd’hui, les critiques soulignent à juste titre le coût prohibitif de l’assemblage spatial. Par exemple, l'assemblage complet de la Station spatiale internationale nécessitera environ 50 lancements de navettes, et son coût, ces vols compris, approche les 100 milliards de dollars. Il s'agit du projet scientifique le plus coûteux de l'histoire, après la construction d'un voilier spatial interstellaire. statoréacteur dans l'espace, un entonnoir coûterait plusieurs fois plus cher.

Mais comme aimait à le dire l’écrivain de science-fiction Robert Heinlein, si l’on peut s’élever à 160 km au-dessus de la Terre, on est déjà à mi-chemin de n’importe quel point du système solaire. En effet, lors de tout lancement, les 160 premiers kilomètres, lorsque la fusée s’efforce d’échapper aux liens de la gravité, « consomment » la part du lion du coût. Après cela, le navire, pourrait-on dire, est déjà capable d'atteindre Pluton ou plus loin.

Une façon de réduire considérablement le coût des vols à l’avenir consiste à construire un ascenseur spatial. L'idée de grimper vers le ciel à l'aide d'une corde n'est pas nouvelle - prenons, par exemple, le conte de fées « Jack et le haricot magique » ; un conte de fées est un conte de fées, mais si vous emmenez le bout de la corde dans l'espace, l'idée pourrait bien devenir réalité. Dans ce cas, la force centrifuge de rotation de la Terre suffirait à neutraliser la force de gravité et la corde ne tomberait jamais au sol. Elle s'élèverait comme par magie verticalement et disparaîtrait dans les nuages.

(Imaginez une balle que vous faites tourner sur une corde. La balle ne semble pas être affectée par la gravité ; le fait est que la force centrifuge l'éloigne du centre de rotation. De la même manière, une très longue corde peut pendre. dans l'air à cause de la rotation de la Terre.) Il n'est pas nécessaire de tenir la corde ; la rotation de la Terre suffira. Théoriquement, une personne pourrait grimper sur une telle corde et s'élever directement dans l'espace. Parfois, nous demandons aux étudiants en physique de calculer la tension dans une telle corde. Il est facile de montrer que même un câble en acier ne peut pas résister à une telle tension ; C’est à cet égard que l’on a longtemps cru qu’un ascenseur spatial ne pourrait pas être réalisé.

Le premier scientifique à s'intéresser sérieusement au problème de l'ascenseur spatial fut le scientifique et visionnaire russe Konstantin Tsiolkovsky. En 1895ᴦ. inspiré par la Tour Eiffel, il a imaginé une tour qui s'élèverait directement dans l'espace et relierait la Terre à un « château étoilé » flottant dans l'espace. Il était censé être construit de bas en haut, en partant de la Terre, à partir de laquelle les ingénieurs construiraient lentement un ascenseur spatial jusqu'au ciel.

En 1957ᴦ. Le scientifique russe Yuri Artsutanov a proposé une nouvelle solution : construire un ascenseur spatial dans l'ordre inverse, de haut en bas, en partant de l'espace. L'auteur a imaginé un satellite en orbite géostationnaire à une distance de 36 000 km de la Terre - depuis la Terre, il semblerait immobile ; à partir de ce satellite, il a été proposé d'abaisser un câble jusqu'à la Terre puis de le fixer au point le plus bas. Le problème est que le câble de l’ascenseur spatial devrait résister à une tension d’environ 60 à 100 GPa. L'acier se brise à environ 2 GPa de tension, ce qui va à l'encontre du but de l'idée.

Un public plus large a été présenté plus tard à l’idée de l’ascenseur spatial ; en 1979ᴦ. Le roman d'Arthur C. Clarke, Les Fontaines du Paradis, a été publié en 1982. - Le roman « Vendredi » de Robert Heinlein. Mais depuis que les progrès dans cette direction sont au point mort, cette question a été oubliée.

La situation a radicalement changé lorsque les chimistes ont inventé les nanotubes de carbone. L'intérêt pour eux a fortement augmenté après leur publication en 1991. par Sumio Iijima de Nippon Electric. (Il faut dire que l'existence des nanotubes de carbone est connue depuis les années 1950, mais on n'y a pas prêté attention pendant longtemps.) Les nanotubes sont beaucoup plus résistants, mais en même temps beaucoup plus légers que les câbles en acier. À proprement parler, leur résistance dépasse même le niveau requis pour un ascenseur spatial. Selon les scientifiques, les fibres de nanotubes de carbone devraient résister à des pressions de 120 GPa, ce qui est nettement supérieur au minimum indispensable. Après cette découverte, les tentatives de création d'un ascenseur spatial ont repris avec une vigueur renouvelée.

B 1999ᴦ. une étude majeure de la NASA a été publiée ; il envisageait un ascenseur spatial sous la forme d'un ruban d'environ un mètre de large et environ 47 000 km de long, capable de mettre en orbite autour de la Terre une charge utile pesant environ 15 tonnes. La mise en œuvre d'un tel projet changerait instantanément et complètement l'économie de l'espace. voyage dans l'espace. Le coût de la mise en orbite du fret serait immédiatement réduit de 10 000 fois ; Un tel changement ne peut être qualifié que de révolutionnaire.

Aujourd'hui, livrer une livre de fret en orbite terrestre basse coûte au moins 10 000 dollars. Ainsi, chaque vol de navette coûterait environ 700 millions de dollars. Un ascenseur spatial ramènerait les coûts de livraison à 1 dollar par livre. Une réduction aussi radicale du coût du programme spatial pourrait complètement changer notre vision de la question. voyage dans l'espace. D’une simple pression sur un bouton, vous pouvez lancer un ascenseur et monter dans l’espace pour le même montant d’argent, par exemple, qu’un billet d’avion.

Mais avant de construire un ascenseur spatial qui puisse facilement nous emmener dans les airs, nous devons surmonter des obstacles très sérieux. Aujourd’hui, la fibre de nanotubes de carbone la plus longue produite en laboratoire ne mesure pas plus de 15 mm. Un ascenseur spatial nécessiterait des câbles de nanotubes longs de plusieurs milliers de kilomètres. Bien sûr, avec point scientifique Il s’agit d’un problème purement technique, mais il est extrêmement important à résoudre et peut s’avérer tenace et difficile. Néanmoins, de nombreux scientifiques sont convaincus qu'il nous faudra plusieurs décennies pour maîtriser la technologie permettant de produire de longs câbles à partir de nanotubes de carbone.

Le deuxième problème est essentiellement qu'en raison de perturbations microscopiques dans la structure des nanotubes de carbone, l'obtention de câbles longs peut s'avérer généralement problématique. Nicola Pugno, de l'Institut polytechnique de Turin, estime que si un seul atome d'un nanotube de carbone n'est pas à sa place, la résistance du tube peut immédiatement diminuer de 30 %. Dans l’ensemble, les défauts au niveau atomique peuvent priver un câble de nanotubes de 70 % de sa résistance ; dans ce cas, la charge admissible sera inférieure aux gigapascals minimum, sans lesquels il est impossible de construire un ascenseur spatial.

Dans le but de susciter l'intérêt des entrepreneurs privés pour le développement d'un ascenseur spatial, la NASA a annoncé deux concours distincts. (Le concours Ansari X-Prize, doté d'un prix de 10 millions de dollars, a été pris comme exemple. Le concours a réussi à alimenter l'intérêt d'investisseurs entreprenants pour la création de fusées commerciales capables d'emmener des passagers jusqu'aux confins de l'espace ; le prix annoncé était reçu en 2004 par le vaisseau SpaceShipOne.\"Les compétitions 7d de la NASA sont appelées Beam Power Challenge et Tether Challenge.

Pour remporter le premier d'entre eux, une équipe de chercheurs doit créer un dispositif mécanique capable de soulever une charge pesant au moins 25 kg (y compris son propre poids) sur un câble (suspendu, par exemple, à la flèche d'une grue) à une vitesse de 1 m/s par hauteur de 50 m La tâche peut paraître simple, mais le problème est que cet appareil n'a pas besoin d'utiliser de carburant, de piles ou de câble électrique. Au lieu de cela, l'ascenseur robotique doit être alimenté par des panneaux solaires, des réflecteurs solaires, des lasers ou un rayonnement micro-ondes, c'est-à-dire à partir de sources d'énergie faciles à utiliser dans l'espace.

Pour remporter le Tether Challenge, une équipe doit soumettre des morceaux d'attache de deux mètres ne pesant pas plus de deux grammes chacun ; De plus, un tel câble doit résister à une charge 50 % supérieure à meilleur exemple année précédente. L'objectif de ce concours est de stimuler la recherche sur le développement de matériaux ultra-légers suffisamment solides pour être transportés sur 100 000 km dans l'espace. Les gagnants recevront des prix de 150 000 $, 40 000 $ et 10 000 $ (pour souligner la difficulté de la tâche, en 2005 – la première année du concours – personne n'a reçu le prix.)

Bien entendu, un ascenseur pour espace de travail peut radicalement changer programme spatial, mais cela a aussi ses inconvénients. Ainsi, la trajectoire des satellites en orbite terrestre basse se déplace constamment par rapport à la Terre (car la Terre tourne sous eux). Cela signifie qu'au fil du temps, n'importe lequel des satellites pourrait entrer en collision avec un ascenseur spatial à une vitesse de 8 km/s ; ce sera largement suffisant pour casser le câble. Pour éviter une catastrophe similaire à l'avenir, il faudra soit équiper chaque satellite de petites fusées qui lui permettraient de contourner l'ascenseur, soit équiper le câble lui-même de petites fusées pour qu'il puisse s'écarter de la trajectoire du satellite. satellites.

Dans le même temps, les collisions avec des micrométéorites peuvent devenir un problème - après tout, l'ascenseur spatial s'élèvera bien au-delà l'atmosphère terrestre, qui dans la plupart des cas nous protège des météores. Comme de telles collisions ne sont pas prévisibles, l’ascenseur spatial devra être équipé d’une protection supplémentaire et peut-être même de systèmes de secours à sécurité intégrée. Le problème peut aussi être phénomènes atmosphériques comme les ouragans, les raz-de-marée et les tempêtes.

J'étais en train de parcourir des problèmes scientifiques pour lesquels ils offrent de grandes récompenses et je suis tombé sur celui-ci étrange : tendre un câble dans l'espace.

Pour la première fois, l'idée hypothétique de construire une telle structure, qui reposerait sur l'utilisation d'un câble tendu de la surface de la planète jusqu'à la station orbitale, a été exprimée en 1895 par Konstantin Tsiolkovsky. Depuis lors, malgré toutes les avancées scientifiques et technologiques, le projet n’en est qu’au stade de l’idée.

Quel est le montant du prix pour ce projet ?

Depuis 2005, les compétitions annuelles Space Elevator Games ont lieu aux États-Unis, organisées par la Spaceward Foundation avec le soutien de la NASA. Il existe deux catégories dans ces concours : « meilleur câble » et « meilleur robot (ascenseur) ».

Autrement dit, pour recevoir le bonus, vous n'avez pas besoin de construire un ascenseur spatial entièrement fonctionnel. Il suffit de développer une idée de câble ou d'ascenseur adapté et d'en construire des prototypes. En 2009, la cagnotte totale des Space Elevator Games était de 4 000 000 $.

Pourquoi y a-t-il tant d’intérêt pour cette méthode particulière d’ascension dans l’espace ? Pouvez-vous penser à quelque chose de bon marché ? Mais entretenir une infrastructure aussi complexe, soulever un câble, éliminer une falaise, peut coûter plus cher que lancer une fusée. Quelle masse peut-on soulever à l’aide d’un tel câble ? Je ne pense pas que ce soit beaucoup, et il faut aussi tenir compte des coûts énergétiques.

Telles sont les idées qui errent aujourd’hui dans l’esprit des chercheurs et des concepteurs à propos de l’ASCENSEUR VERS L’ESPACE.

Les ascenseurs capables de transporter des personnes et des marchandises de la surface de la planète vers l'espace pourraient signifier la fin des fusées polluant l'espace. Mais réaliser un tel ascenseur est extrêmement difficile. Le concept d'ascenseurs spatiaux était connu depuis longtemps et a été introduit par Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky, mais depuis lors, nous ne nous sommes même pas rapprochés d'un iota de la mise en œuvre pratique d'un tel mécanisme. Elon Musk a récemment tweeté : "Et s'il vous plaît, ne me posez pas de questions sur les ascenseurs spatiaux tant que nous n'aurons pas cultivé des nanotubes de carbone d'au moins un mètre de long."

Elon Musk est considéré par beaucoup comme le visionnaire de notre époque - le pionnier de l'exploration spatiale privée et l'homme derrière l'idée du système de transport Hyperloop, capable de transporter des personnes de Los Angeles à San Francisco via un tube métallique en seulement 35 minutes. Mais il y a certaines idées que même lui considère comme trop farfelues. Y compris un ascenseur spatial.

«C'est incroyablement difficile. Je ne pense pas que construire un ascenseur spatial soit une idée réaliste », a déclaré Musk lors d’une conférence au MIT en octobre dernier, ajoutant qu’il serait plus facile de construire un pont entre Los Angeles et Tokyo qu’un ascenseur capable de transporter des matériaux dans l’espace.

L'envoi de personnes et de charges utiles dans l'espace dans des capsules qui traînent le long d'un câble géant maintenu en place par la rotation de la Terre avait été décrit dans les œuvres d'écrivains de science-fiction comme Arthur C. Clarke, mais il était peu probable qu'il soit réalisable dans le monde réel. Il s'avère que nous nous trompons et que nos capacités ne suffisent pas pour résoudre ce problème technique complexe ?

Les partisans des ascenseurs spatiaux pensent que cela suffit. Ils considèrent les fusées chimiques comme obsolètes, risquées et nocives environnement et dévorant les finances. Leur alternative est essentiellement une ligne de train vers l’espace : un vaisseau spatial propulsé électriquement se déplaçant depuis une ancre sur Terre sur une longe robuste reliée à un contrepoids en orbite géostationnaire autour de la planète. Une fois opérationnels, les ascenseurs spatiaux pourraient transporter des charges utiles dans l’espace pour seulement 500 dollars le kilogramme, contre 20 000 dollars le kilogramme aux tarifs actuels.

"Cette technologie incroyablement puissante pourrait ouvrir le système solaire à l'humanité", déclare Peter Swan, président de l'International Space Elevator Consortium. "Je pense que les premiers ascenseurs seront robotisés et que dans 10 à 15 ans, nous fabriquerons six à huit ascenseurs suffisamment sûrs pour transporter des personnes."

Malheureusement, une telle structure devrait non seulement mesurer 100 000 kilomètres de long, soit plus de deux fois la circonférence de la Terre, mais elle devrait également supporter son propre poids. Jusqu’à présent, il n’existe aucun matériau sur Terre possédant de telles propriétés.

Mais certains scientifiques pensent que cela est possible et que cela deviendra une réalité au cours de ce siècle. Grande entreprise de construction japonaise a promis de le créer d'ici 2050 année. Des chercheurs américains qui ont récemment mis au point un matériau semblable au diamant, fabriqué à partir de nanofibres, pensent également qu'un câble pour ascenseur spatial apparaîtra avant la fin du siècle.

La conception d’une structure aussi incroyable reposera sur un câble spécial composé de nanotubes de carbone fins et ultra résistants. Ce câble aura une longueur de 96 mille kilomètres.

Selon les lois de la physique, la force centrifuge de rotation empêchera un tel câble de tomber, l'étirant sur toute sa longueur. En cas de succès, l'ascenseur pourra se déplacer à une vitesse de 200 km/h, soulevant jusqu'à 30 personnes dans la cabine. A une altitude de 36 000 kilomètres, que l'ascenseur atteindra dans une semaine, un arrêt est prévu. L'ascenseur élèvera les touristes à cette hauteur, et les chercheurs et spécialistes pourront grimper tout en haut.

Les idées modernes pour un ascenseur spatial remontent à 1895, lorsque Konstantin Tsiolkovsky s'est inspiré de la Tour Eiffel nouvellement construite à Paris et a calculé la physique de la construction d'un bâtiment qui s'étend dans l'espace afin que le vaisseau spatial puisse être lancé depuis l'orbite sans fusée. Dans le roman d'Arthur C. Clarke de 1979, Les Fontaines du Ciel, le protagoniste construit un ascenseur spatial avec une conception similaire à celui présenté aujourd'hui.

Mais comment en faire une réalité ? «J'adore le caractère scandaleux de l'idée», déclare Kevin Fong, fondateur du Centre for Altitude, Space and Extreme Medicine de l'University College de Londres. "Je comprends pourquoi les gens aiment cette idée, car si vous pouviez vous rendre en orbite terrestre basse à moindre coût et en toute sécurité, le système solaire interne serait très bientôt à votre disposition."

Questions de sécurité

La difficulté réside dans la manière de construire un tel système. « Pour commencer, il doit être créé à partir d'un matériau qui n'existe pas encore, mais qui soit solide et flexible, avec les caractéristiques de masse et de densité nécessaires pour supporter le transport et résister à des impacts incroyables. forces externes, dit Fong. "Je pense que tout cela nécessitera une série de missions orbitales et de sorties dans l'espace en orbite terrestre basse et haute les plus ambitieuses de l'histoire de notre espèce."

Il y a aussi des problèmes de sécurité, ajoute-t-il. "Même si nous pouvions résoudre les difficultés techniques importantes liées à la construction d'une telle chose, l'image qui émerge est celle d'un fromage géant avec des trous faits par tous ces débris spatiaux sur le dessus."

Au cours des 12 dernières années, trois études détaillées détaillées ont été soumises. Le premier, publié par Brad Edwards et Eric Westling dans le livre Space Elevators de 2003, envisageait de transporter une charge utile de 20 tonnes alimentée par des lasers terrestres pour un coût de 150 dollars le kilogramme et un coût de construction total de 6 milliards de dollars.

Partant de ce concept, la conception Association internationale Les astronautes de 2013 ont déjà protégé la cabine contre conditions météorologiques sur les 40 premiers kilomètres, puis l'a équipé de panneaux solaires. Le transport dans le cadre de ce plan coûte 500 dollars par kilogramme, et la construction de l'ensemble de la structure coûte 13 milliards de dollars pour le premier projet (c'est alors toujours moins cher).

Ces propositions incluent un contrepoids sous la forme d’un astéroïde capturé en orbite terrestre. Le rapport de l'IAA indique que ce projet pourrait devenir possible un jour, mais pas dans un avenir proche.

ancre flottante

Au lieu de cela, la partie de 1 900 tonnes qui supporterait l’attache de 6 300 tonnes pourrait être assemblée à partir du vaisseau spatial et des véhicules qui transportaient l’attache dans l’espace. Il sera également complété par des satellites capturés qui ont cessé de fonctionner et restent en orbite comme débris spatiaux.

Ils ont également suggéré d’imaginer l’ancre sur Terre comme une plate-forme flottante de la taille d’un gros pétrolier ou d’un porte-avions près de l’équateur, car cela augmenterait sa capacité de charge. L'emplacement préféré est un point situé à 1 000 kilomètres à l'ouest de les îles Galapagos: Les ouragans, typhons et tornades y sont considérés comme rares.

Obayashi Corp., l'une des cinq plus grandes entreprises de construction japonaises, a dévoilé l'année dernière des plans pour un ascenseur spatial encore plus robuste transportant des véhicules robotiques propulsés par des moteurs maglev comme ceux utilisés sur les trains à grande vitesse. Ils pouvaient transporter des personnes avec la résistance de câble requise. Cette conception coûterait environ 100 milliards de dollars, mais le transport coûterait entre 50 et 100 dollars par kilogramme.

Bien qu'il existe certainement de nombreux obstacles, le seul élément sans lequel la construction d'un ascenseur spatial serait aujourd'hui impossible est le câble lui-même, explique Swan.

"Trouver un matériau à partir duquel fabriquer un câble est un problème technologique majeur", explique-t-il. - Tout le reste est absurde. Nous pouvons déjà faire tout cela.

Fils diamantés

Le principal concurrent est un câble fabriqué à partir de nanotubes de carbone créés en laboratoire pour avoir une résistance à la traction de 63 gigapascals, soit 13 fois plus résistante que le meilleur acier.

La longueur maximale des nanotubes de carbone n'a cessé d'augmenter depuis leur découverte en 1991. En 2013, les scientifiques chinois atteignaient déjà un demi-mètre de longueur. Les auteurs du rapport de l'IAA prévoient que la longueur d'un câble constitué de nanotubes de carbone atteindra un kilomètre d'ici 2022 et d'ici 2030 - nécessaire à la production d'un ascenseur spatial.

Pendant ce temps, un nouveau concurrent pour le lien spatial a été dévoilé en septembre. Une équipe dirigée par John Budding, professeur de chimie à l'Université d'État de Pennsylvanie, a publié un article dans Nature dans lequel elle affirme avoir créé des nanofibres de diamant ultra-minces qui pourraient être plus solides et plus rigides que les nanotubes de carbone.

L'équipe a commencé par comprimer le benzène pression atmosphériqueà 200 000 atmosphères. Lorsque la pression fut lentement relâchée, les atomes se réassemblèrent en une nouvelle structure hautement ordonnée, comme un tétraèdre.

Ces formes se sont liées entre elles pour former des nanofibres ultra-minces dont la structure est extrêmement similaire à celle du diamant. Bien qu'il ne soit pas encore possible de mesurer directement leur résistance en raison de leur taille, des calculs théoriques ont montré que les fibres peuvent être plus résistantes et plus rigides que les matériaux synthétiques les plus résistants disponibles aujourd'hui.

Réduction de risque

"Si nous pouvions fabriquer des nanofibres de diamant ou des nanotubes de carbone suffisamment longs et suffisamment bons, la science suggère que nous pourrions commencer immédiatement à construire un ascenseur spatial", explique Budding.

Mais même si l'un de ces matériaux s'avérait suffisamment solide, l'assemblage et l'installation des éléments individuels d'un ascenseur spatial restent une entreprise très problématique. D'autres maux de tête incluront la sécurité, la collecte de fonds, la satisfaction d'intérêts concurrents, etc. Au moins, Swan ne s'inquiète pas de cela.

"Bien sûr, il y aura de sérieux problèmes, tout comme ceux qui ont construit le premier chemin de fer transcontinental et les canaux de Panama et de Suez", dit-il. "Cela prendra beaucoup de temps et d'argent, mais comme toutes les grandes entreprises, il suffit de surmonter les obstacles une seule fois."

Même Musk ne peut se résoudre à discréditer cette idée. « Ce n’est clairement pas quelque chose dont nous pouvons parler maintenant », a-t-il déclaré. "Mais si quelqu'un pouvait me convaincre du contraire, ce serait génial."

Et certains scientifiques expriment les cinq raisons suivantes pour lesquelles un tel ascenseur ne sera jamais construit :

1. Il n’y a pas de matériau suffisamment solide pour le câble

La charge sur le câble peut dépasser 100 000 kg/m, c'est pourquoi le matériau utilisé pour sa fabrication doit avoir une résistance extrêmement élevée pour résister à l'étirement, et en même temps une très faible densité. Bien qu’un tel matériau n’existe pas, même les nanotubes de carbone, qui sont désormais considérés comme les matériaux les plus résistants et les plus élastiques de la planète, ne conviennent pas.

Malheureusement, la technologie permettant de les produire commence tout juste à être développée. Jusqu’à présent, il a été possible d’obtenir de minuscules morceaux de matériau : le nanotube le plus long créé mesure quelques centimètres de longueur et plusieurs nanomètres de largeur. On ne sait pas encore s'il sera un jour possible d'en faire un câble suffisamment long.

2. Sensibilité aux vibrations dangereuses

Le câble sera sensible aux rafales imprévisibles du vent solaire - sous son influence, il se pliera, ce qui affectera négativement la stabilité de l'ascenseur. Des micromoteurs peuvent être fixés au câble comme stabilisateurs, mais cette mesure créera des difficultés supplémentaires en termes de maintenance de la structure. De plus, cela rendra difficile le déplacement des cabines spéciales, appelées « grimpeurs », le long du câble. Le câble entrera très probablement en résonance avec eux.

3. Force de Coriolis

Le câble et les « grimpeurs » sont immobiles par rapport à la surface de la Terre. Mais par rapport au centre de la Terre, l’objet se déplacera à une vitesse de 1 700 km/h en surface et de 10 000 km/h en orbite. En conséquence, les « grimpeurs » doivent avoir cette vitesse lors du lancement. Le « grimpeur » accélère dans une direction perpendiculaire au câble, et de ce fait, le câble oscillera comme un pendule. Au même moment, une force surgit, tentant d’arracher notre câble de la Terre. La force est inversement proportionnelle à la flèche du câble et directement proportionnelle à la vitesse de levage de la charge et à sa masse. Ainsi, la force de Coriolis empêche le levage rapide de charges vers une orbite géostationnaire.
Vous pouvez combattre la force de Coriolis en lançant simplement deux « grimpeurs » en même temps - depuis la Terre et depuis l'orbite, mais la force entre les deux charges étirera encore plus le câble. Une autre option est une ascension péniblement lente sur des chenilles.

4. Satellites et débris spatiaux

Au cours des 50 dernières années, l’humanité a lancé de nombreux objets dans l’espace – utiles et moins utiles. Soit les constructeurs d'ascenseurs devront trouver et supprimer tout cela (ce qui est impossible, compte tenu du nombre de satellites ou de télescopes orbitaux utiles), soit fournir un système qui protège l'objet des collisions. Le câble est théoriquement immobile, donc tout corps tournant autour de la Terre entrera tôt ou tard en collision avec lui. De plus, la vitesse de collision sera presque égale à la vitesse de rotation de ce corps, de sorte que de gros dommages seront causés au câble. Le câble ne peut pas être manœuvré et il est long, les collisions seront donc fréquentes.
Comment gérer cela n’est pas encore clair. Les scientifiques parlent de construire un laser spatial orbital pour brûler les déchets, mais cela sort complètement du domaine de la science-fiction.

5. Risques sociaux et environnementaux

L'ascenseur spatial pourrait bien devenir la cible d'une attaque terroriste. Une opération de démolition réussie causera d'énormes dégâts et pourra même enterrer tout le projet, donc en même temps que l'ascenseur, vous devrez construire une défense 24 heures sur 24 autour de lui.

Les écologistes estiment que le câble, paradoxalement, peut déplacer l'axe de la Terre. Le câble sera rigidement fixé en orbite et tout mouvement de celui-ci au sommet se reflétera sur Terre. Au fait, pouvez-vous imaginer ce qui se passerait s’il se cassait soudainement ?

Il est donc très difficile de mettre en œuvre un tel projet sur Terre. Et maintenant bonnes nouvelles: Cela fonctionnera sur la Lune. La force gravitationnelle sur le satellite est bien moindre et il n’y a pratiquement pas d’atmosphère. Une ancre peut être créée dans le champ de gravité terrestre et un câble provenant de la Lune passera par le point de Lagrange - nous obtenons ainsi un canal de communication entre la planète et son compagnon naturel. Dans des conditions favorables, un tel câble pourra transporter environ 1 000 tonnes de marchandises par jour en orbite terrestre. Le matériau, bien sûr, devra être extrêmement résistant, mais vous n’aurez pas à inventer quoi que ce soit de fondamentalement nouveau. Certes, la longueur de l'ascenseur « lunaire » devra être d'environ 190 000 km en raison d'un effet appelé trajectoire de Gomanov.

sources

L'idée d'une structure d'astro-ingénierie pour lancer des marchandises en orbite planétaire ou même au-delà. Pour la première fois, une telle idée a été exprimée par Konstantin Tsiolkovsky en 1895, l'idée a été développée en détail dans les travaux de Yuri Artsutanov. La conception hypothétique est basée sur l’utilisation d’un câble tendu depuis la surface de la planète jusqu’à une station orbitale située en GEO. Vraisemblablement, cette méthode pourrait à l’avenir être bien moins chère que l’utilisation de lanceurs.
Le câble est maintenu à une extrémité à la surface de la planète (Terre) et à l'autre à un point stationnaire au-dessus de la planète, au-dessus de l'orbite géostationnaire (GSO), en raison de la force centrifuge. Un ascenseur transportant une charge utile s'élève le long d'un câble. En montant, la charge sera accélérée du fait de la rotation de la Terre, ce qui lui permettra d’être envoyée au-delà de la gravité terrestre à une altitude suffisamment élevée.
Le câble nécessite une résistance à la traction extrêmement élevée combinée à une faible densité. Selon les calculs théoriques, les nanotubes de carbone semblent être un matériau approprié. Si nous supposons leur aptitude à la fabrication d'un câble, alors la création d'un ascenseur spatial est un problème d'ingénierie soluble, bien qu'elle nécessite l'utilisation de développements avancés et des coûts élevés d'un autre type. La création de l'ascenseur est estimée à 7 à 12 milliards de dollars américains. La NASA finance déjà les développements correspondants de l'Institut américain recherche scientifique, y compris le développement d'un ascenseur capable de se déplacer de manière indépendante le long d'un câble.
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1 Conception
1.1 Fondation
1.2 Câble
1.2.1 Épaississement du câble
1.3 Ascenseur
1.4 Contrepoids
1.5 Moment angulaire, vitesse et inclinaison
1.6 Lancement dans l'espace
2 Construction
3 Économie d'un ascenseur spatial
4 réalisations
5 Littérature
6 Ascenseur spatial dans divers travaux
7 Voir aussi
8 remarques
9 liens
9.1 Organisations
9.2 Divers
Conception

Il existe plusieurs options de conception. Presque tous comprennent une base (base), un câble (câble), des ascenseurs et un contrepoids.
Base
La base d'un ascenseur spatial est l'endroit à la surface de la planète où le câble est attaché et où commence le levage de la cargaison. Il peut être mobile, placé sur un navire océanique.
L'avantage d'une base mobile est la possibilité d'effectuer des manœuvres pour échapper aux ouragans et aux tempêtes. Les avantages d'une base fixe sont des sources d'énergie moins chères et plus accessibles, ainsi que la possibilité de réduire la longueur du câble. La différence de quelques kilomètres de câble est relativement faible, mais peut contribuer à réduire l'épaisseur requise de sa partie médiane et la longueur de la partie qui s'étend. pour géostationnaire orbite.
Câble
Le câble doit être fabriqué dans un matériau présentant un rapport résistance à la traction/densité spécifique extrêmement élevé. Un ascenseur spatial sera économiquement justifié s'il est possible de produire à l'échelle industrielle et à un prix raisonnable un câble d'une densité comparable au graphite et d'une résistance d'environ 65 à 120 gigapascals.
À titre de comparaison, la résistance de la plupart des types d'acier est d'environ 1 GPa, et même les types les plus résistants ne dépassent pas 5 GPa, et l'acier est lourd. Le Kevlar, beaucoup plus léger, a une résistance comprise entre 2,6 et 4,1 GPa, et la fibre de quartz a une résistance allant jusqu'à 20 GPa et plus. La résistance théorique des fibres de diamant peut être légèrement supérieure.
Les nanotubes de carbone devraient, selon la théorie, avoir une extensibilité bien supérieure à celle requise pour un ascenseur spatial. Cependant, la technologie permettant de les produire en quantités industrielles et de les tisser en câbles commence tout juste à être développée. Théoriquement, leur résistance devrait être supérieure à 120 GPa, mais en pratique, l'allongement le plus élevé d'un nanotube à paroi unique était de 52 GPa et, en moyenne, ils se cassaient entre 30 et 50 GPa. Le fil le plus résistant, tissé à partir de nanotubes, sera plus faible que ses composants. Les recherches visant à améliorer la pureté du matériau des tubes et à créer différents types de tubes se poursuivent.
La plupart des projets d’ascenseurs spatiaux utilisent des nanotubes à simple paroi. Les multicouches ont une résistance plus élevée, mais sont plus lourdes et ont un rapport résistance/densité plus faible. Une option possible consiste à utiliser la liaison haute pression de nanotubes à simple paroi. Dans ce cas, bien que la résistance soit perdue du fait du remplacement de la liaison sp² (graphite, nanotubes) par la liaison sp³ (diamant), elles seront mieux retenues dans une fibre par les forces de van der Waals et permettront de produire des fibres de durée arbitraire [source non indiquée 810 jours]

Les défauts du réseau cristallin réduisent la résistance des nanotubes
Dans une expérience menée par des scientifiques de l'Université de Californie du Sud (États-Unis), les nanotubes de carbone à simple paroi ont démontré une résistance spécifique 117 fois supérieure à celle de l'acier et 30 fois supérieure à celle du Kevlar. Il a été possible d'atteindre une valeur de 98,9 GPa, la valeur maximale de la longueur du nanotube était de 195 µm.
La technologie permettant de tisser de telles fibres en est encore à ses balbutiements.
Selon certains scientifiques, même les nanotubes de carbone ne seront jamais assez résistants pour fabriquer un câble d'ascenseur spatial.
Expériences des scientifiques de Technologique L'Université de Sydney a permis de créer du papier graphène. Les tests sur échantillons sont encourageants : la densité du matériau est cinq à six fois inférieure à celle de l'acier, tandis que la résistance à la traction est dix fois supérieure à celle de l'acier au carbone. En même temps, le graphène est un bon conducteur de courant électrique, ce qui lui permet d'être utilisé pour transmettre de l'énergie à un ascenseur, en tant que bus de contact.
Épaissir le câble

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L'ascenseur spatial doit supporter au moins son propre poids, ce qui est considérable en raison de la longueur du câble. L'épaississement d'une part augmente la résistance du câble, d'autre part, il ajoute son poids, et donc la résistance requise. La charge exercée sur celui-ci varie selon les endroits : dans certains cas, une section de l'attache doit supporter le poids des segments situés en dessous, dans d'autres, elle doit résister à la force centrifuge qui maintient les parties supérieures de l'attache en orbite. Satisfaireà cette condition et pour atteindre l'optimalité du câble en chaque point, son épaisseur sera variable.
On peut montrer qu'en tenant compte de la gravité terrestre et de la force centrifuge (mais sans tenir compte de la moindre influence de la Lune et du Soleil), la section transversale du câble en fonction de la hauteur sera décrite par la formule suivante :

Ici A ® est l'aire de la section transversale du câble en fonction de la distance r du centre de la Terre.
La formule utilise les constantes suivantes :
A0 est la section transversale du câble au niveau de la surface de la Terre.
ρ est la densité du matériau du câble.
s est la résistance à la traction du matériau du câble.
ω est la fréquence circulaire de la rotation de la Terre autour de son axe, 7,292×10−5 radians par seconde.
r0 est la distance entre le centre de la Terre et la base du câble. Il s'agit d'environégal au rayon de la Terre, 6 378 km.
g0 est l'accélération de la gravité à la base du câble, 9,780 m/s².
Cette équation décrit une attache dont l'épaisseur augmente d'abord de façon exponentielle, puis sa croissance ralentit à une altitude de plusieurs rayons terrestres, puis elle devient constante, pour finalement atteindre l'orbite géostationnaire. Après cela, l'épaisseur recommence à diminuer.
Ainsi, le rapport des sections du câble à la base et au GSO (r = 42,164 km) est :
En substituant ici la densité et la résistance de l'acier et le diamètre du câble au niveau du sol de 1 cm, nous obtenons un diamètre au niveau GSO de plusieurs centaines de kilomètres, ce qui signifie que l'acier et les autres matériaux qui nous sont familiers ne conviennent pas à la construction d'un ascenseur.
Il s'ensuit qu'il existe quatre manières d'obtenir une épaisseur de câble plus raisonnable au niveau GSO :
Utilisez un matériau moins dense. Étant donné que la densité de la plupart des solides se situe dans une plage relativement étroite allant de 1 000 à 5 000 kg/m³, il est peu probable que quelque chose puisse être réalisé ici.
Utiliser davantage matériau résistant. La recherche va principalement dans cette direction. Les nanotubes de carbone sont des dizaines de fois plus résistants que le meilleur acier, et ils réduiront considérablement l'épaisseur du câble au niveau GSO.
Soulevez la base du câble plus haut. En raison de la présence de l'exponentielle dans l'équation, même une légère surélévation de la base réduira considérablement l'épaisseur du câble. Des tours allant jusqu'à 100 km de haut sont proposées, ce qui, en plus d'économiser sur le câble, évitera l'influence processus atmosphériques.
Rendez la base du câble aussi fine que possible. Il doit encore être suffisamment épais pour supporter un ascenseur chargé, donc l'épaisseur minimale à la base dépend également de la résistance du matériau. Un câble composé de nanotubes de carbone ne doit avoir qu'un millimètre d'épaisseur à la base.
Une autre façon consiste à rendre la base de l'ascenseur mobile. Se déplacer même à une vitesse de 100 m/s donnera déjà un gain de vitesse circulaire de 20 % et réduira la longueur du câble de 20 à 25 %, ce qui le rendra plus léger de 50 % ou plus. Si vous « ancrez » le câble au supersonique non précisé 664 jours] dans un avion ou un train, alors le gain de masse du câble ne se mesurera plus en pourcentage, mais en dizaines de fois (mais les pertes ne sont pas prises en compte pour la résistance air).
Ascenseur

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Dessin conceptuel d'un ascenseur spatial s'élevant à travers les nuages
Un ascenseur spatial ne peut pas fonctionner comme un ascenseur ordinaire (avec des câbles mobiles) car l'épaisseur de son câble n'est pas constante. La plupart des projets utilisent un palan qui grimpe sur un câble fixe, bien que de petits câbles mobiles segmentés courant le long du câble principal aient également été proposés.
Offert différentes manières conceptions d'ascenseurs. Sur les câbles plats, vous pouvez utiliser des paires de galets maintenus en place par friction. D'autres options sont le déplacement des rayons avec des crochets sur plaques, des rouleaux avec des crochets rétractables, la lévitation magnétique (peu probable, car des chemins encombrants devront être attachés au câble), etc. [source non précisée 661 jours]
Un problème sérieux avec la conception de l'ascenseur est la source d'énergie [source non spécifiée 661 jours]. Il est peu probable que la densité de stockage d’énergie soit suffisamment élevée pour que l’ascenseur dispose de suffisamment d’énergie pour gravir l’ensemble du câble. Les sources d'énergie externes possibles sont les faisceaux laser ou micro-ondes. D’autres options sont l’utilisation de l’énergie de freinage des ascenseurs descendant ; différence de température dans la troposphère ; décharge ionosphérique, etc. L'option principale [source non précisée 661 jours] (rayons énergétiques) présente de sérieux problèmes associés avec efficacité et la dissipation de la chaleur aux deux extrémités, même si si l'on est optimiste quant aux progrès technologiques futurs, cela est réalisable.
Les ascenseurs doivent se suivre à une distance optimale pour minimiser la charge sur le câble et ses oscillations et maximiser débit. La zone la moins fiable du câble se trouve près de sa base ; il ne devrait pas y avoir plus d'un ascenseur [source non précisée 661 jours]. Les ascenseurs qui montent uniquement augmenteront la capacité, mais ne permettront pas d'utiliser l'énergie de freinage lors de la descente et ne pourront pas ramener les personnes au sol. De plus, les composants de ces ascenseurs doivent être utilisés en orbite à d’autres fins. Dans tous les cas, les petites remontées mécaniques valent mieux que les grandes car leurs horaires seront plus flexibles, mais elles imposent plus de restrictions technologiques.
De plus, le fil d'ascenseur lui-même subira constamment l'action de la force de Coriolis et des flux atmosphériques. De plus, puisque le « lift » doit être situé au-dessus de l’altitude de l’orbite géostationnaire, il sera soumis à des charges constantes, y compris des charges de pointe, par exemple des à-coups [source non précisée 579 jours].
Cependant, si les obstacles ci-dessus peuvent être supprimés d’une manière ou d’une autre, un ascenseur spatial peut alors être réalisé. Cependant, un tel projet sera extrêmement coûteux, mais il pourrait à l'avenir concurrencer les engins spatiaux jetables et réutilisables [source non précisée 579 jours].
Contrepoids

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Un contrepoids peut être créé de deux manières : en attachant un objet lourd (par exemple, un astéroïde) au-delà du géostationnaire orbite ou continuation de l'attache elle-même sur une distance considérable pour géostationnaire orbite. La deuxième option est devenue plus populaire ces derniers temps car elle est plus facile à mettre en œuvre et, en outre, il est plus facile de lancer des charges vers d'autres planètes à partir de l'extrémité d'un câble allongé, car elle a une vitesse importante par rapport à la Terre.
Moment angulaire, vitesse et inclinaison

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Lorsque l'ascenseur monte, l'ascenseur s'incline de 1 degré car la partie supérieure L'ascenseur se déplace autour de la Terre plus rapidement que le fond (effet Coriolis). Échelle non enregistrée
La vitesse horizontale de chaque section du câble augmente avec la hauteur proportionnellement à la distance au centre de la Terre, atteignant sur géostationnaire orbite de la première vitesse de fuite. Par conséquent, lors du levage d'une charge, il a besoin de gagner un moment cinétique supplémentaire (vitesse horizontale).
Le moment angulaire est acquis en raison de la rotation de la Terre. Dans un premier temps, l'ascenseur se déplace légèrement plus lentement que le câble (effet Coriolis), ce qui « ralentit » le câble et le dévie légèrement vers l'ouest. À une vitesse de montée de 200 km/h, le câble s'inclinera de 1 degré. Composante horizontale de la tension en non vertical le câble tire la charge sur le côté, l'accélérant vers l'est (voir schéma) - de ce fait, l'ascenseur acquiert une vitesse supplémentaire. Selon la troisième loi de Newton, le câble ralentit légèrement la Terre.
Dans le même temps, l’influence de la force centrifuge force le câble à revenir dans une position verticale énergétiquement favorable, de sorte qu’il se trouve dans un état d’équilibre stable. Si le centre de gravité de l'ascenseur est toujours au-dessus de l'orbite géostationnaire, quelle que soit la vitesse des ascenseurs, il ne tombera pas.
Au moment où la cargaison atteint le GEO, son moment cinétique (vitesse horizontale) est suffisant pour lancer la cargaison en orbite.
Lors de l'abaissement de la charge, le processus inverse se produira, inclinant le câble vers l'est.
Lancement dans l'espace
Au bout du câble, à une altitude de 144 000 km, la composante tangentielle de la vitesse sera de 10,93 km/s, ce qui est largement suffisant pour quitter le champ gravitationnel terrestre et lancer des vaisseaux vers Saturne. Si l’objet pouvait glisser librement le long du haut de l’attache, il aurait suffisamment de vitesse pour s’échapper du système solaire. Cela se produira en raison de la transition du moment cinétique total du câble (et de la Terre) en vitesse de l'objet lancé.
Pour atteindre des vitesses encore plus élevées, vous pouvez allonger le câble ou accélérer la charge grâce à l'électromagnétisme.
Construction

Les travaux sont en cours du géostationnaire gares. C'est la seule chose un endroit où un vaisseau spatial peut atterrir. Une extrémité descend jusqu’à la surface de la Terre, étirée par la force de gravité. Un autre, pour équilibrage, - dans la direction opposée côté, étant tiré par la force centrifuge. Cela signifie que tous les matériaux de construction doivent être soulevés au géostationnaire orbite de manière traditionnelle, quelle que soit la destination de la cargaison. C'est-à-dire le coût de surélévation de l'ensemble de l'ascenseur spatial au géostationnaire orbite - le prix minimum du projet.
Économie d'un ascenseur spatial

Vraisemblablement, l’ascenseur spatial réduira considérablement le coût d’envoi de marchandises dans l’espace. Les ascenseurs spatiaux sont coûteux à construire, mais leurs coûts d'exploitation sont faibles, il est donc préférable de les utiliser sur de longues périodes pour de très gros volumes de marchandises. Actuellement, le marché du lancement de charges n’est peut-être pas assez important pour justifier la construction d’un ascenseur, mais la réduction spectaculaire des prix devrait conduire à une plus grande variété de charges. Les autres infrastructures de transport – autoroutes et chemins de fer – se justifient de la même manière.
Le coût de développement d'un ascenseur est comparable au coût de développement d'une navette spatiale [source non précisée 810 jours]. Il n'y a toujours pas de réponse à la question de savoir si l'ascenseur spatial restituera l'argent investi ou s'il serait préférable de l'investir dans le développement ultérieur de la technologie des fusées.
Il ne faut pas oublier la limite du nombre de satellites relais sur géostationnaire orbite : actuellement les accords internationaux autorisent 360 satellites - un transpondeur par degré angulaire, pour éviter les interférences lors de la diffusion dans la bande de fréquences Ku. Pour les fréquences C, le nombre de satellites est limité à 180.
Ainsi, l'ascenseur spatial est peu adapté aux lancements de masse. au géostationnaire orbite [source non précisée 554 jours] et est la plus adaptée à l'exploration de l'espace extra-atmosphérique et de la Lune en particulier.
Cette circonstance explique le véritable échec commercial du projet, puisque les principaux coûts financiers des organisations non gouvernementales sont concentrés pour relayer les satellites, occupant soit des orbites géostationnaires (télévision, communications), soit des orbites inférieures (systèmes de positionnement global, observation des ressources naturelles, etc.).
Cependant, l'ascenseur peut être un projet hybride et, en plus de la fonction de livraison de marchandises en orbite, rester une base pour d'autres programmes de recherche et commerciaux non liés au transport.
Réalisations

Depuis 2005, le concours annuel Space Elevator Games a lieu aux États-Unis, organisé par la Spaceward Foundation avec le soutien de la NASA. Il existe deux catégories dans ces concours : « meilleur câble » et « meilleur robot (ascenseur) ».
Dans la compétition d'ascenseur, le robot doit parcourir une distance définie en escaladant un câble vertical à une vitesse non inférieure à celle établie par les règles. (dans les compétitions En 2007, les normes étaient les suivantes : longueur du câble - 100 m, vitesse minimale - 2 m/s). Le meilleur résultat de 2007 a été de parcourir une distance de 100 m avec une vitesse moyenne de 1,8 m/s.
Le montant total des prix du concours Space Elevator Games en 2009 s'élevait à 4 millions de dollars.
Lors du concours de force sur corde, les participants doivent disposer d'un anneau de deux mètres fait de robuste matériau ne pesant pas plus de 2 grammes, ce qui installation spéciale vérifie la rupture. Pour remporter le concours, la résistance du câble doit être au moins 50 % supérieure dans cet indicateur à celle de l'échantillon déjà disponible à la NASA. Jusqu'à présent, le meilleur résultat appartient au câble qui a résisté à une charge allant jusqu'à 0,72 tonne.
La concurrence n’inclut pas Liftport Group, qui s’est fait connaître en prétendant lancer un ascenseur spatial en 2018 (repoussé ensuite à 2031). Liftport mène ses propres expériences. Par exemple, en 2006, un ascenseur robotique a grimpé sur une corde solide tendue à l'aide de ballons. Sur un kilomètre et demi, l'ascenseur n'a réussi à parcourir que 460 mètres. La prochaine étape, l'entreprise prévoit d'effectuer des tests sur un câble d'une hauteur de 3 km.
La compétition Space Elevator Games, organisée par la Spaceward Foundation et la NASA, s'est déroulée du 4 au 6 novembre 2009, en Californie du Sud, au Dryden Flight Research Center, dans l'enceinte de la célèbre base aérienne d'Edwards. La longueur d'essai du câble était de 900 mètres, le câble a été soulevé à l'aide d'un hélicoptère. Le leadership a été pris par LaserMotive, qui a présenté un ascenseur avec une vitesse de 3,95 m/s, ce qui est très proche de la vitesse requise. L'ascenseur a parcouru toute la longueur du câble en 3 minutes 49 secondes ; l'ascenseur transportait une charge utile de 0,4 kg.
En août 2010, LaserMotive a présenté sa dernière invention lors de la conférence AUVSI sur les systèmes sans pilote à Denver, au Colorado. Le nouveau genre le laser aidera à transmettre l'énergie sur de longues distances de manière plus économique ; le laser ne consomme que quelques watts.
Littérature

Yuri Artsutanov « Dans l'espace - sur une locomotive électrique" journal " TVNZ" du 31 juillet 1960.
Alexander Bolonkin « Lancement et vol spatiaux sans fusée », Elsevier, 2006, 488 pages. http://www.scribd.com/doc/24056182
Ascenseur spatial dans divers travaux

L'une des œuvres célèbres d'Arthur C. Clarke, Les Fontaines du Paradis, est basée sur l'idée d'un ascenseur spatial. De plus, un ascenseur spatial apparaît et Dans la finale des parties de sa célèbre tétralogie A Space Odyssey (3001: The Final Odyssey).
Battle Angel comprend un ascenseur spatial cyclopéen, à une extrémité duquel se trouve la ville céleste de Salem (pour les citoyens) ainsi qu'une ville basse (pour les non-citoyens), et à l'autre extrémité se trouve la ville spatiale de Yeru. Une structure similaire se trouve de l’autre côté de la Terre.
Dans la serie " Star Trek: Voyager" dans l'épisode 3x19 "Rise", un ascenseur spatial aide l'équipage à s'échapper d'une planète à l'atmosphère dangereuse.
Civilization IV possède un ascenseur spatial. Il est là l'un des derniers « Grands Miracles ».
Le roman de science-fiction « Silkworm » de Timothy Zahn (1985) mentionne une planète capable de produire des super fibres. L'une des races, intéressée par la planète, souhaitait se procurer cette fibre spécifiquement pour la construction d'un ascenseur spatial.
Dans la dilogie de Sergei Lukyanenko « Les étoiles sont des jouets froids », une des civilisations extraterrestres, en cours de commerce interstellaire, a livré à la Terre des fils ultra-résistants qui pourraient être utilisés pour construire un ascenseur spatial. Mais les civilisations extraterrestres insistaient exclusivement à l'usage les pour l'usage auquel ils sont destinés - pour aider pendant l'accouchement.
Dans l'anime Mobile Suit Gundam 00, il y a trois ascenseurs spatiaux ; un anneau de panneaux solaires y est également attaché, ce qui permet d'utiliser l'ascenseur spatial pour produire de l'électricité.
Dans l'anime Z.O.E. Dolores présente un ascenseur spatial et montre également ce qui pourrait arriver en cas d'attaque terroriste.
Dans le roman de science-fiction « Doomed to Victory » de J. Scalzi (eng. Scalzi, John. Old Man's War), les systèmes d'ascenseurs spatiaux sont activement utilisés sur Terre, dans de nombreuses colonies terrestres et sur certaines planètes d'autres races intelligentes hautement développées pour communiquer avec les couchettes des navires interstellaires.
Dans le roman de science-fiction « Demain sera l'éternité » d'Alexandre Gromov, l'intrigue est construite autour de l'existence d'un ascenseur spatial. Il existe deux appareils - une source et un récepteur qui, à l'aide d'un "faisceau d'énergie", sont capables de mettre la "cabine" de l'ascenseur en orbite.
Dans le roman fantastique d'Alastair Reynolds, The Abyss City, Description détaillée bâtiments et le fonctionnement ascenseur spatial, le processus de sa destruction (à la suite d'une attaque terroriste) est décrit.
Le roman de science-fiction Strata de Terry Pratchett présente la Ligne, une molécule artificielle extra-longue utilisée comme ascenseur spatial.
Mentionné dans la chanson du groupe Zvuki Mu « Elevator to Heaven »
L'ascenseur spatial est mentionné dans la série animée Trinity Blood, dans laquelle le vaisseau spatial Arc sert de contrepoids.
Au tout début du jeu Sonic Colors, on peut voir Sonic et Tails prendre l'ascenseur spatial pour se rendre au parc du Dr Eggman.
voir également

Pistolet spatial
Démarrer la boucle
Fontaine spatiale
Remarques

http://galspace.spb.ru/nature.file/lift.html Ascenseur spatial et nanotechnologie
Dans l'espace - dans un ascenseur ! // KP.RU
Orbites des ascenseurs spatiaux et vulgarisation scientifique Magazine spatial russe n°11, 2008
Les nanotubes de carbone sont deux fois plus résistants que l'acier
MEMBRANE | Nouvelles du monde | Les nanotubes ne survivront pas à un ascenseur spatial
Le nouveau papier graphène s'avère plus résistant que l'acier
Lemeshko Andreï Viktorovitch. Ascenseur spatial Lemeshko A.V./ Ascenseur spatial Lemeshko A.V.
fr:Télévision par satellite#Technologie
L'ascenseur vers le ciel établit des records en pensant à l'avenir
Un laser a été développé pour alimenter les ascenseurs spatiaux
LaserMotive fera une démonstration d'hélicoptère propulsé par laser au salon Unmanned Systems North America 2010 de l'AUVSI

IVe Conférence interrégionale des écoliers

"La route vers les étoiles"

Ascenseur spatial : fiction ou réalité ?

Complété:

____________________

Superviseur:

___________________

Iaroslavl

Introduction

Idées d'ascenseurs spatiaux par K.E. Tsiolkovski, Yu.N. Artsutanova, G.G. Polyakova

Conception d'ascenseur spatial

Description des projets modernes

Conclusion

Introduction

En 1978, le roman de science-fiction d’Arthur C. Clarke « Les Fontaines du Paradis » est publié, consacré à l’idée de​​construire un ascenseur spatial. L'action se déroule au XXIIe siècle sur l'île inexistante de Taproban, qui, comme le souligne l'auteur dans la préface, correspond à 90 % à l'île de Ceylan (Sri Lanka).

Souvent, les écrivains de science-fiction prédisent l'apparition d'une invention non pas de leur propre siècle, mais d'une époque beaucoup plus tardive.

Qu'est-ce qu'un ascenseur spatial ?

Un ascenseur spatial est un concept de structure d'ingénierie permettant de lancer des marchandises dans l'espace sans fusées. Cette conception hypothétique est basée sur l'utilisation d'un câble tendu depuis la surface de la planète jusqu'à une station orbitale située en GEO. Pour la première fois, une telle idée a été exprimée par Konstantin Tsiolkovsky en 1895 ; l'idée a été développée en détail dans les travaux de Yuri Artsutanov.

Le but de ces travaux est d'étudier la possibilité de construire un ascenseur spatial.

Idées d'ascenseurs spatiaux par K.E. Tsiolkovski, Yu.N. Artsutanov et G.G. Polyakova

Konstantin Tsiolkovsky est un scientifique, inventeur et professeur autodidacte russe et soviétique. Fondateur de la cosmonautique théorique. Il a justifié l'utilisation de fusées pour les vols spatiaux et est arrivé à la conclusion sur la nécessité d'utiliser des « trains-fusées » - des prototypes de fusées à plusieurs étages. Ses principaux travaux scientifiques portent sur l'aéronautique, la dynamique des fusées et l'astronautique.

Représentant du cosmisme russe, membre de la Société russe des amateurs d'études du monde. Auteur d'œuvres de science-fiction, partisan et propagandiste des idées d'exploration spatiale. Tsiolkovsky a proposé de peupler l'espace à l'aide de stations orbitales. Il croyait que le développement de la vie sur l'une des planètes de l'Univers atteindrait une telle puissance et une telle perfection qu'elle permettrait de vaincre les forces de gravité et de propager la vie dans tout l'Univers.

En 1895, le scientifique russe Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky fut le premier à formuler le concept et le concept d'un ascenseur spatial. Il a décrit une structure autonome s'étendant du niveau du sol jusqu'à l'orbite géostationnaire. S'élevant à 36 mille kilomètres au-dessus de l'équateur et suivant le sens de rotation de la Terre, au point final avec une période orbitale d'exactement un jour, cette structure resterait dans une position fixe.

YU
Riy Nikolaevich Artsutanov est un ingénieur russe né à Leningrad. Diplômé de Leningradsky

Institute of Technology, est connu comme l’un des pionniers de l’idée de l’ascenseur spatial. En 1960, il a écrit l'article "To Space - by Electric Locomotive", dans lequel il discutait du concept d'ascenseur spatial comme moyen rentable, sûr et pratique d'accéder à l'orbite pour faciliter l'exploration spatiale.

Yuri Nikolaevich a développé l'idée de​​Konstantin Tsiolkovsky. Le concept d'Artutanov était basé sur la liaison de satellites géosynchrones avec un câble à la Terre. Il a proposé d'utiliser le satellite comme base à partir de laquelle construire la tour, puisque le satellite géosynchrone resterait au-dessus d'un point fixe sur l'équateur. À l'aide d'un contrepoids, le câble descendra de l'orbite géosynchrone jusqu'à la surface de la Terre, tandis que le contrepoids s'éloignera de la Terre, gardant le centre de masse du câble stationnaire par rapport à la Terre.

UN Rtsutanov a proposé d’attacher une extrémité d’une telle « corde » à l’équateur terrestre et d’attacher un poids d’équilibrage à l’autre extrémité, située bien au-delà de l’atmosphère de la planète. Si la « corde » était suffisamment longue, la force centrifuge dépasserait la force de gravité et empêcherait la charge de tomber sur la Terre. D'après les calculs donnés par Artsutanov, il s'ensuit que la force d'attraction et la force centrifuge sont égales à une altitude d'environ 42 000 kilomètres. La résultante de ces forces, égale à zéro, fixe de manière fiable la « pierre » au zénith.

Les locomotives électriques désormais scellées circuleront verticalement vers le haut – vers l’orbite. Une augmentation douce de la vitesse et un freinage doux aideront à éviter les surcharges caractéristiques du décollage d'une fusée. Après plusieurs heures de voyage à une vitesse de 10 à 20 kilomètres par seconde, suivra le premier arrêt - au point d'équinoxe, où la station de transbordement déployée en apesanteur ouvrira les portes des bars, restaurants, salons - et un merveilleux vue sur la Terre depuis les fenêtres.

Après l'arrêt, la cabine pourra non seulement se déplacer sans gaspiller d'énergie, puisqu'elle sera projetée loin de la Terre par la force centrifuge, mais aussi, en plus, le moteur, passé en mode dynamo, générera l'électricité nécessaire au retour. .

Il était proposé d'effectuer le deuxième et dernier arrêt à une distance de 60 000 kilomètres de la Terre, où les forces résultantes seraient égales à la force de gravité à la surface de la Terre et permettraient la création d'une gravité artificielle à la « station finale ». ». Ici, au bord du plus long téléphérique, sera situé un véritable port spatial orbital. Comme prévu, il lancera des vaisseaux spatiaux à travers le système solaire, leur donnant une vitesse respectable et leur assignant une trajectoire.

Ne voulant pas se limiter à une corde primitive, Yuri Artsutanov y a accroché des centrales solaires qui convertissent l'énergie solaire en courant électrique et des solénoïdes qui génèrent un champ électromagnétique. Une « locomotive électrique » doit circuler dans ce domaine.

Si nous estimons le poids d'une telle chaussée magnétique, en tenant compte d'une longueur de 60 000 kilomètres, il s'avère alors : des centaines de millions de tonnes ? Beaucoup plus. Plus d’un millier de fusées seront nécessaires pour remorquer ce poids jusqu’en orbite ! À l’époque, cela semblait impossible.

Cependant, cette fois, le scientifique a eu la bonne idée : l'ascenseur n'a pas besoin d'être construit de bas en haut, comme une immense tour cyclopéenne - il suffit de lancer un satellite artificiel en orbite géostationnaire, à partir duquel le premier fil sera lancé. être abaissé. En coupe transversale, ce fil sera plus fin qu'un cheveu humain, de sorte que son poids ne dépasse pas mille tonnes. Une fois l'extrémité libre du fil fixée à la surface de la terre, une « araignée » courra de haut en bas le long du fil - un dispositif léger qui tisse un deuxième fil parallèle. Il fonctionnera jusqu'à ce que la corde soit suffisamment épaisse pour supporter la « locomotive électrique », la nappe électromagnétique, les centrales solaires, les salles de repos et les restaurants.

Il est tout à fait compréhensible qu'à l'ère des courses spatiales, l'idée de Yuri Valerievich Artsutanov soit restée inaperçue. À cette époque, il n’existait aucun matériau capable de résister à une pression de rupture aussi élevée du câble.

Dans le développement des idées d'Artutanov, Gueorgui Polyakov d'Astrakhan a proposé son projet d'ascenseur spatial en 1977. institut pédagogique.

Fondamentalement, cet ascenseur n’est presque pas différent de celui décrit ci-dessus. Polyakov le souligne seulement : un véritable ascenseur spatial sera bien plus compliqué que celui décrit par Artsutanov. En fait, il s'agira d'une série d'ascenseurs simples de longueurs successivement décroissantes. Chacun est un système auto-équilibré, mais ce n'est que grâce à l'un d'entre eux qui atteint la Terre que la stabilité de l'ensemble de la structure est assurée.

La longueur de l'ascenseur (environ 4 fois le diamètre de la Terre) a été choisie de telle sorte que l'appareil, séparé de son sommet, puisse se déplacer par inertie dans l'espace. Au sommet se trouvera un point de lancement pour les engins spatiaux interplanétaires. Et les navires revenant d'un vol, étant préalablement entrés sur une orbite stationnaire, « s'élèvent » dans la zone de base.

D'un point de vue conceptuel, un ascenseur spatial est constitué de deux tuyaux ou puits parallèles de section rectangulaire dont l'épaisseur des parois varie selon une certaine loi. Le long de l'une d'elles, les cabines montent et le long de l'autre, vers le bas. Bien entendu, rien ne vous empêche de constituer plusieurs de ces paires. Le tuyau peut ne pas être continu, mais être constitué de nombreux câbles parallèles dont la position est fixée par une série de cadres rectangulaires transversaux. Cela facilite l'installation et la réparation de l'ascenseur.

Les cabines d'ascenseur sont de simples plates-formes entraînées par des moteurs électriques individuels. Des charges ou des modules résidentiels y sont attachés - après tout, un trajet dans un ascenseur peut durer une semaine, voire plus.

Afin d'économiser de l'énergie, vous pouvez créer un système qui ressemble à téléphérique. Il se compose d'une série de poulies à travers lesquelles sont lancés des câbles fermés sur lesquels sont suspendues des cabines. Les axes de poulies, où sont montés les moteurs électriques, sont montés sur le support d'ascenseur. Ici, le poids des cabines montantes et descendantes est mutuellement équilibré et, par conséquent, l'énergie est dépensée uniquement pour surmonter les frictions.

Pour les «fils» de liaison à partir desquels l'ascenseur lui-même est formé, il est nécessaire d'utiliser un matériau dont le rapport contrainte de rupture/densité est 50 fois supérieur à celui de l'acier. Il peut s'agir de divers « composites », d'aciers mousses, d'alliages de béryllium ou de whiskers de cristaux...

Cependant, Georgy Polyakov ne se contente pas de clarifier les caractéristiques de l'ascenseur spatial. Il souligne le fait que d’ici la fin du 20e siècle, l’orbite géosynchrone sera densément « parsemée » d’engins spatiaux des plus divers types et rendez-vous. Et comme ils seront tous pratiquement immobiles par rapport à notre planète, il semble très tentant de les relier à la Terre et entre eux à l'aide d'ascenseurs spatiaux et d'une autoroute périphérique.

Sur la base de cette considération, Polyakov avance l'idée d'un « collier » cosmique de la Terre. Le collier servira en quelque sorte de téléphérique (ou de rail) entre les stations orbitales, et leur assurera également un équilibre stable en orbite géosynchrone.

La longueur du « collier » étant très grande (260 000 kilomètres), de nombreuses stations peuvent y être placées. Si, disons, les colonies sont distantes de 100 kilomètres, leur nombre sera de 2 600. Avec une population de 10 000 habitants à chaque station, 26 millions de personnes vivront sur le ring. Si la taille et le nombre de ces « astrocités » augmentent, ce chiffre augmentera fortement.

Conception d'ascenseur spatial

Base

À PROPOS La base d'un ascenseur spatial est l'endroit à la surface de la planète où le câble est attaché et où commence le levage de la charge. Il peut être mobile, placé sur un navire océanique. L'avantage d'une base mobile est la possibilité d'effectuer des manœuvres pour échapper aux ouragans et aux tempêtes. Les avantages d'une base fixe sont des sources d'énergie moins chères et plus accessibles, ainsi que la possibilité de réduire la longueur du câble. La différence de quelques kilomètres d’attache est relativement faible, mais peut contribuer à réduire l’épaisseur requise de sa partie médiane et la longueur de la partie s’étendant au-delà de l’orbite géostationnaire. En plus de la base, une plate-forme sur ballons stratosphériques peut être placée pour réduire le poids de la partie inférieure du câble avec la possibilité de changer la hauteur pour éviter les flux d'air les plus turbulents, ainsi que pour amortir les vibrations excessives sur toute la longueur. du câble.

Câble

Le câble doit être fabriqué dans un matériau présentant un rapport résistance à la traction/densité spécifique extrêmement élevé. L'ascenseur spatial sera économiquement justifié s'il est possible de produire à l'échelle industrielle à un prix raisonnable un câble d'une densité comparable au graphite et d'une résistance d'environ 65 à 120 gigapascals. À titre de comparaison, la résistance de la plupart des types d'acier est d'environ 1 GPa, et même les types les plus résistants ne dépassent pas 5 GPa, et l'acier est lourd. Le Kevlar, beaucoup plus léger, a une résistance comprise entre 2,6 et 4,1 GPa, et la fibre de quartz a une résistance allant jusqu'à 20 GPa et plus. Les nanotubes de carbone devraient, selon la théorie, avoir une extensibilité bien supérieure à celle requise pour un ascenseur spatial. Cependant, la technologie permettant de les produire en quantités industrielles et de les tisser en câbles commence tout juste à être développée. Théoriquement, leur résistance devrait être supérieure à 120 GPa, mais en pratique, la résistance à la traction la plus élevée d'un nanotube à paroi unique était de 52 GPa, et en moyenne ils se brisaient entre 30 et 50 GPa. Le fil le plus résistant, tissé à partir de nanotubes, sera plus faible que ses composants.

Dans une expérience menée par des scientifiques de l'Université de Californie du Sud (États-Unis), les nanotubes de carbone à simple paroi ont démontré une résistance spécifique 117 fois supérieure à celle de l'acier et 30 fois supérieure à celle du Kevlar. Il a été possible d'atteindre une valeur de 98,9 GPa, la valeur maximale de la longueur du nanotube était de 195 µm. Selon certains scientifiques, même les nanotubes de carbone ne seront jamais assez résistants pour fabriquer un câble d'ascenseur spatial.

Des expériences menées par des scientifiques de l'Université de technologie de Sydney ont permis de créer du papier graphène. Les tests sur échantillons sont encourageants : la densité du matériau est cinq à six fois inférieure à celle de l'acier, tandis que la résistance à la traction est dix fois supérieure à celle de l'acier au carbone. Dans le même temps, le graphène est un bon conducteur de courant électrique, ce qui lui permet d'être utilisé pour transmettre de l'énergie à un ascenseur en tant que bus de contact.

En juin 2013, des ingénieurs de l'Université de Columbia aux États-Unis ont fait état d'une nouvelle avancée : grâce à nouvelle technologie Lors de l'obtention de graphène, il est possible d'obtenir des feuilles d'une diagonale de plusieurs dizaines de centimètres et d'une résistance seulement 10 % inférieure à celle théorique.

Épaissir le câble

L'ascenseur spatial doit au moins supporter son propre poids, qui est considérable en raison de la longueur du câble. L'épaississement, d'une part, augmente la résistance du câble, d'autre part, il ajoute son poids et, par conséquent, la résistance requise. La charge exercée sur celui-ci varie selon les endroits : dans certains cas, une section de l'attache doit supporter le poids des segments situés en dessous, dans d'autres, elle doit résister à la force centrifuge qui maintient les parties supérieures de l'attache en orbite. Pour satisfaire cette condition et atteindre l'optimalité du câble en chaque point, son épaisseur sera variable.

On peut montrer qu'en tenant compte de la gravité et de la force centrifuge de la Terre, MAIS, sans tenir compte de la moindre influence de la Lune et du Soleil, la section transversale du câble en fonction de la hauteur sera décrite par la formule suivante :

Où est la section transversale du câble en fonction de la distance r du centre de la Terre.

La formule utilise les constantes suivantes :

- surface de la section transversale du câble au niveau de la surface de la Terre.

- densité du matériau du câble.

- résistance à la traction du matériau du câble.

- La fréquence circulaire de la rotation de la Terre autour de son axe est de 7,292·10−5 radians par seconde.

- la distance entre le centre de la Terre et la base du câble. Il est approximativement égal au rayon de la Terre, 6 378 km.

- Accélération de chute libre à la base du câble, 9.780 m/s².

Cette équation décrit une attache dont l'épaisseur augmente d'abord de façon exponentielle, puis sa croissance ralentit à une altitude de plusieurs rayons terrestres, puis elle devient constante, pour finalement atteindre l'orbite géostationnaire. Après cela, l'épaisseur recommence à diminuer.

Ainsi, le rapport des sections du câble à la base et au GSO (r = 42,164 km) est :

P.
en mettant ici la densité et la résistance de l'acier, et le diamètre du câble au niveau du sol de 1 cm, nous obtenons un diamètre au niveau GSO de plusieurs centaines de kilomètres, ce qui signifie que l'acier et les autres matériaux qui nous sont familiers ne conviennent pas à la construction un ascenseur.

Il s'ensuit qu'il existe quatre manières d'obtenir une épaisseur de câble plus raisonnable au niveau GSO :

Utilisez un matériau moins dense. Étant donné que la densité de la plupart des solides se situe dans une plage relativement étroite allant de 1 000 à 5 000 kg/m³, il est peu probable que quelque chose puisse être réalisé ici.

Utilisez un matériau plus durable. La recherche va principalement dans cette direction. Les nanotubes de carbone sont des dizaines de fois plus résistants que le meilleur acier, et ils réduiront considérablement l'épaisseur du câble au niveau GSO. Le même calcul, fait en supposant que la densité du câble est égale à la densité des fibres de carbone ρ = 1,9 g/cm3 (1900 kg/m3), avec une résistance à la rupture σ = 90 GPA (90 109 Pa) et un diamètre de câble à la base de 1 cm (0,01 m), permet d'obtenir un diamètre de câble au GSO de seulement 9 cm.

Soulevez la base du câble plus haut. En raison de la présence de l'exponentielle dans l'équation, même une légère surélévation de la base réduira considérablement l'épaisseur du câble. Des tours allant jusqu'à 100 km de haut sont proposées, qui, en plus d'économiser sur le câble, éviteront l'influence des processus atmosphériques.

Rendez la base du câble aussi fine que possible. Il doit encore être suffisamment épais pour supporter un ascenseur chargé, donc l'épaisseur minimale à la base dépend également de la résistance du matériau. Un câble composé de nanotubes de carbone ne doit avoir qu'un millimètre d'épaisseur à la base.

Une autre façon consiste à rendre la base de l'ascenseur mobile. Se déplacer même à une vitesse de 100 m/s donnera déjà un gain de vitesse circulaire de 20 % et réduira la longueur du câble de 20 à 25 %, ce qui le rendra plus léger de 50 % ou plus. Si vous « ancrez » le câble sur un avion ou un train supersonique, alors le gain de masse du câble ne se mesurera plus en pourcentage, mais en dizaines de fois (mais les pertes dues à la résistance de l'air ne sont pas prises en compte). Il existe également une idée consistant à utiliser des lignes de force conditionnelles du champ magnétique terrestre au lieu d’un câble constitué de nanotubes.

Contrepoids

Un contrepoids peut être créé de deux manières : en attachant un objet lourd (par exemple, un astéroïde, une colonie spatiale ou un quai spatial) au-delà de l'orbite géostationnaire, ou en étendant l'attache elle-même sur une distance significative au-delà de l'orbite géostationnaire. La deuxième option est intéressante car il est plus facile de lancer des charges vers d'autres planètes depuis l'extrémité du câble allongé, car il a une vitesse importante par rapport à la Terre.

Moment angulaire, vitesse et inclinaison

La vitesse horizontale de chaque section du câble augmente avec la hauteur proportionnellement à la distance au centre de la Terre, atteignant la première vitesse cosmique en orbite géostationnaire. Par conséquent, lors du levage d'une charge, il a besoin de gagner un moment cinétique supplémentaire (vitesse horizontale). Le moment angulaire est acquis en raison de la rotation de la Terre. Dans un premier temps, l'ascenseur se déplace légèrement plus lentement que le câble (effet Coriolis), ce qui « ralentit » le câble et le dévie légèrement vers l'ouest. À une vitesse de montée de 200 km/h, le câble s'inclinera de 1 degré. La composante horizontale de la tension dans un câble non vertical tire la charge sur le côté, l'accélérant vers l'est - de ce fait, l'ascenseur acquiert une vitesse supplémentaire. Selon la troisième loi de Newton, le câble ralentit légèrement la Terre et le contrepoids dans une large mesure, en raison du ralentissement de la rotation du contrepoids, le câble commencera à s'enrouler autour du sol. Dans le même temps, l’influence de la force centrifuge force le câble à revenir dans une position verticale énergétiquement favorable, de sorte qu’il se trouve dans un état d’équilibre stable. Si le centre de gravité de l'ascenseur est toujours au-dessus de l'orbite géostationnaire, quelle que soit la vitesse des ascenseurs, il ne tombera pas. Au moment où la charge utile atteint l’orbite géostationnaire (GEO), son moment cinétique est suffisant pour lancer la charge utile en orbite. Si la charge n'est pas libérée du câble, alors, s'arrêtant verticalement au niveau du GSO, elle sera dans un état d'équilibre instable, et avec une poussée infinitésimale vers le bas, elle quittera le GSO et commencera à tomber sur la Terre avec une poussée verticale. accélération, tout en ralentissant dans le sens horizontal. La perte d'énergie cinétique de la composante horizontale lors de la descente sera transférée à travers le câble au moment cinétique de rotation de la Terre, accélérant ainsi sa rotation. Lorsqu'elle est poussée vers le haut, la charge quittera également le GSO, mais dans la direction opposée, c'est-à-dire qu'elle commencera à monter le long du câble avec une accélération depuis la Terre, atteignant la vitesse finale à l'extrémité du câble. La vitesse finale dépendant de la longueur du câble, sa valeur peut ainsi être fixée arbitrairement. Il est à noter que l'accélération et l'augmentation de l'énergie cinétique de la charge lors du levage, c'est-à-dire son déroulement en spirale, se produiront en raison de la rotation de la Terre, qui va ralentir. Ce processus est complètement réversible, c’est-à-dire que si vous appliquez une charge sur l’extrémité du câble et commencez à l’abaisser en le comprimant en spirale, le moment cinétique de rotation de la Terre augmentera en conséquence. Lors de l'abaissement de la charge, le processus inverse se produira, inclinant le câble vers l'est.

Lancement dans l'espace

Au bout du câble, à une altitude de 144 000 km, la composante tangentielle de la vitesse sera de 10,93 km/s, ce qui est largement suffisant pour quitter le champ gravitationnel terrestre et lancer des vaisseaux vers Saturne. Si l’objet pouvait glisser librement le long du haut de l’attache, il aurait suffisamment de vitesse pour s’échapper du système solaire. Cela se produira en raison de la transition du moment cinétique total du câble (et de la Terre) en vitesse de l'objet lancé. Pour atteindre des vitesses encore plus élevées, vous pouvez allonger le câble ou accélérer la charge grâce à l'électromagnétisme.

Description des projets modernes

Des propositions plus détaillées ont émergé entre le milieu et la fin du 20e siècle. On espérait que l’ascenseur spatial révolutionnerait l’accès à l’espace proche de la Terre, à la Lune, à Mars et même au-delà. Ce bâtiment pourrait une fois pour toutes pour résoudre le problème lié à l'envoi d'une personne dans l'espace. L'ascenseur aiderait grandement de nombreuses agences spatiales à transporter des astronautes en orbite autour de notre planète. Sa création pourrait signifier la fin des fusées polluant l’espace. Cependant, l’investissement initial et le niveau de technologie requis montraient clairement qu’un tel projet n’était pas réalisable et le reléguait au domaine de la science-fiction.

Est-il possible de résoudre le problème d'une telle construction en ce moment? Les partisans des ascenseurs spatiaux estiment qu’il existe actuellement suffisamment de capacités pour résoudre ce problème technique. Ils croient que fusées spatiales sont obsolètes, causent des dommages irréparables à la nature et sont trop chers pour la société moderne.

La difficulté réside dans la manière de construire un tel système. "Pour commencer, il doit être créé à partir d'un matériau qui n'existe pas encore, mais qui soit solide et flexible, avec les bonnes caractéristiques de masse et de densité pour supporter le transport et résister à des forces externes incroyables", explique Fong. "Je pense que tout cela nécessitera une série de missions orbitales et de sorties dans l'espace en orbite terrestre basse et haute les plus ambitieuses de l'histoire de notre espèce."

Il y a aussi des problèmes de sécurité, ajoute-t-il. «Même si nous pouvions résoudre les difficultés techniques importantes liées à la construction d'une telle chose, une image effrayante émerge d’un fromage géant avec des trous faits par tous ces débris spatiaux et débris sur le dessus.

Les scientifiques du monde entier développent l’idée d’un ascenseur spatial. Les Japonais ont annoncé début 2012 leur intention de construire un ascenseur spatial. Les Américains ont rapporté la même chose fin 2012. En 2013, les médias ont rappelé les racines russes de « l’ascenseur spatial ». Alors, quand ces idées deviendront-elles réalité ?

Concept de la société japonaise Obayashi

La société propose la méthode de construction suivante : une extrémité d'un câble à très haute résistance est retenue par une plateforme massive dans l'océan, et l'autre est fixée à une station orbitale. Une cabine spécialement conçue se déplace le long de la corde et peut transporter des marchandises, des astronautes ou, par exemple, des touristes spatiaux.

Obayashi envisage des nanotubes de carbone, dix fois plus résistants que l'acier, comme matériau pour le câble. Mais le problème est qu'actuellement la longueur de ces nanotubes est limitée à environ 3 cm, alors qu'un ascenseur spatial nécessiterait un câble d'une longueur totale de 96 000 km. Il est prévu qu'il sera possible de surmonter les difficultés existantes vers les années 2030, après quoi la mise en œuvre pratique du concept d'ascenseur spatial commencera.

Obayashi envisage déjà la possibilité de créer des cabines touristiques spéciales conçues pour transporter jusqu'à 30 passagers. À propos, le voyage en orbite le long d'un câble constitué de nanotubes de carbone prendra sept jours, de sorte que les systèmes de survie, les réserves de nourriture et d'eau nécessaires devront être fournis.

Obayashi prévoit de lancer l'ascenseur spatial seulement d'ici 2050.

Ascenseur spatial de LiftPort Group

Non seulement la Terre deviendra un objet où un tel ascenseur sera construit. Selon un groupe d'experts de la société LiftPort Group, la Lune pourrait bien jouer le rôle d'un tel objet.

La base de l'ascenseur spatial lunaire est un câble plat fabriqué dans un matériau à haute résistance. Des gondoles de transport emprunteront ce câble jusqu'à la surface de la Lune et vice-versa, transportant des personnes, divers matériaux, mécanismes et robots.

L’extrémité « spatiale » du câble sera retenue par la station spatiale PicoGravity Laboratory (PGL) située au point de Lagrange L1 du système Lune-Terre, point où la gravité de la Lune et de la Terre s’annule. Sur la Lune, l'extrémité du câble sera connectée à la station d'ancrage, située dans la région Sinus Medi (approximativement au milieu de la « face » de la Lune regardant la Terre) et faisant partie de l'infrastructure de l'ascenseur spatial lunaire.

La tension du câble de l'ascenseur spatial sera assurée par un contrepoids, qui sera maintenu par un câble plus fin, long de 250 000 kilomètres, et qui sera déjà à la merci de la gravité terrestre. La station spatiale PicoGravity Laboratory aura une structure modulaire, similaire à la structure de la Station spatiale internationale existante, ce qui permettra de l'agrandir facilement et d'ajouter des nœuds d'amarrage permettant à différents types de vaisseaux spatiaux de s'amarrer à la station.

L’objectif principal de ce projet n’est pas la construction de l’ascenseur spatial lui-même. Cet ascenseur ne sera qu'un moyen d'acheminer des véhicules automatiques vers la Lune, qui exploiteront de manière autonome divers minéraux, notamment des métaux des terres rares et de l'hélium-3, qui est un combustible prometteur pour les futurs réacteurs à fusion thermonucléaire et, éventuellement, un combustible pour vaisseaux spatiaux avenir.

"Malheureusement, ce projet Jusqu'à présent, cela est pratiquement impossible en raison du manque de personnel maîtrisant de nombreuses technologies clés. Mais la recherche sur la plupart de ces technologies se poursuit depuis un certain temps, et il viendra certainement un moment où la construction d’un ascenseur spatial passera de la catégorie de la science-fiction au domaine des choses pratiquement réalisables.

Les spécialistes de LiftPort Group promettent de réaliser une conception fonctionnelle et détaillée de la structure d'ici la fin de 2019.

"Véhicule planétaire général"

Considérons un projet appelé General Planetary Vehicle (GVT). Cette affirmation a été avancée et étayée par l'ingénieur Anatoly Yunitsky de Gomel.

En 1982, un article a été publié dans la revue «Technology for Youth», dans lequel l'auteur affirme que l'humanité aura bientôt besoin d'un véhicule fondamentalement nouveau capable d'assurer le transport sur la route Terre-Espace-Terre.

Selon A. Yunitsky, le GPV est une roue fermée d'un diamètre transversal d'environ 10 mètres, qui repose sur un viaduc spécial installé le long de l'équateur. La hauteur du viaduc, selon le terrain, varie de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de mètres. Le viaduc est placé sur des supports flottants dans l'océan.

Dans un canal étanche situé le long de l'axe du corps du GPV se trouve une courroie sans fin dotée d'une suspension magnétique et qui constitue une sorte de rotor de moteur. Un courant y est induit, qui va interagir avec celui qui l'a généré. champ magnétique, et le ruban, qui ne subit aucune résistance (il est placé sous vide), commencera à bouger. Plus précisément, en rotation autour de la Terre. En atteignant la première vitesse de fuite, la bande deviendra en apesanteur. Avec une accélération supplémentaire, sa force centrifuge à travers la suspension magnétique commencera à exercer une force de levage verticale toujours croissante sur le corps du GPV jusqu'à ce qu'il équilibre chaque mètre linéaire de celui-ci (le véhicule semblera devenir en apesanteur - pourquoi pas un navire anti-gravité ?).

Les marchandises et les passagers sont placés dans un véhicule retenu sur le viaduc avec une bande supérieure préalablement tournée à une vitesse de 16 km/s, ayant une masse de 9 tonnes par mètre, et exactement la même, mais avec une bande inférieure immobile. Cela se fait principalement à l'intérieur et en partie à l'extérieur de la carrosserie du GPV, mais de manière à ce que la charge dans son ensemble soit uniformément répartie. Après avoir été libéré des poignées retenant le GPV sur le viaduc, son diamètre, sous l'influence de la force de levage, commencera à croître lentement, et chaque mètre linéaire de celui-ci s'élèvera au-dessus de la Terre. Puisque la forme du cercle correspond à l'énergie minimale, le véhicule, qui copiait auparavant le profil du viaduc, prendra après le levage la forme d'un anneau idéal.

La vitesse de montée du véhicule sur n'importe quelle section de l'itinéraire peut être réglée sur une large plage : de la vitesse des piétons à la vitesse de l'avion. Le véhicule traverse la section atmosphérique à des vitesses minimales.

Selon Anatoly Yunitsky, le poids total du GPV sera de 1,6 million de tonnes, sa capacité de transport de 200 millions de tonnes et sa capacité de passagers de 200 millions de personnes. Le nombre estimé de sorties dans l'espace GPV sur une durée de vie de cinquante ans est de 10 000 vols.

Conclusion

Il existe de nombreux projets d'ascenseurs spatiaux, et tous diffèrent peu de ce que proposait Artsupanov, mais les scientifiques supposent désormais que des matériaux à base de nanotubes deviendront disponibles.

L'ascenseur spatial va révolutionner l'industrie spatiale en mettant des personnes et des marchandises en orbite à un coût nettement inférieur à celui des lanceurs traditionnels.

Espérons que dans la seconde moitié du XXIe siècle, les ascenseurs spatiaux commenceront à fonctionner au-delà de la Terre : sur la Lune, sur Mars et ailleurs. Système solaire. Avec le développement de la technologie, les coûts de construction diminueront progressivement.

Même si cette époque semble lointaine et inaccessible, cela dépend de nous de ce que sera l’avenir et de la rapidité avec laquelle il viendra.