Le document aborde le concept de l'ascenseur spatial, une alternative potentiellement moins coûteuse et moins risquée pour atteindre l'orbite géostationnaire, située à 35 785 km au-dessus de l'équateur. En utilisant des câbles en nanotubes de carbone, le coût pour envoyer 1 kg en orbite pourrait tomber à environ 150 €, par rapport aux 40 000 € actuels avec des fusées. Cependant, des défis techniques subsistent, notamment la fabrication de câbles suffisamment solides et légers ainsi que des méthodes de déploiement sûres.

2. L’orbite géostationnaire Où est-ce ? Elle est à 35.785 Km du sol au-dessus de l’équateur. Toutes les orbites plus basses ne sont pas stationnaires : plus on est bas, plus la gravité doit être compensée par une vitesse élevée. Sinon, on retombe sur le sol. Les orbites plus hautes sont plus lentes. La lune tourne en 28 jours à 300.000 km de la terre. Pourquoi est-elle si recherchée ? Transmission TV, téléphone, Internet Surveillance de la terre et de l’atmosphère Mais… Y aller coûte cher : 40.000 € pour 1 Kg en orbite GEO avec Ariane. ( Un vol Bruxelles-New York en avion coûte 4€/Kg, et c’est un aller-retour ) C’est dangereux à cause des moteurs-fusée et des débris en orbite basse (LEO).

3. Le spatial, ça coûte cher Un kilo en orbite basse (500 km, LEO) 4.000 à 20.000 €/Kg suivant le transporteur : Atlas, Saturn, Delta, Soyouz, Ariane, Space Shuttle. Un kilo en orbite haute (36000 km, GEO) 40.000 € à 50.000 €. soit 250 Millions € pour un satellite de 5 tonnes. Ici, un lancement d’Ariane 5 à Kourou.

4. Comment y aller ? En fusée ??? Il y a beaucoup de clients qui attendent leur tour pour lancer quelque chose ou quelqu’un en orbite GEO. Mais c’est cher… et c’est dangereux ! Ou bien … … y aurait-il une autre façon d’agir que de lancer des fusées qui coûtent cher, qui explosent parfois, et qui polluent l’atmosphère et les orbites basses ?

5. 1895 en Russie : Konstantin Tsiolkovsy invente l’ascenseur spatial Notons qu’il avait d’abord inventé la fusée à combustible liquide… Mais l’idée d’une tour d’ascenseur haute de 144.000 Km ne l’effrayait pas plus que ça. Il a calculé l’énergie nécessaire à monter en orbite GEO : il y en a pour 2 € d’électricité par Kg. D’autres ont calculé combien d’acier il faudrait pour construire la tour, le câble et l’ascenseur. Problème : il n’y a pas assez de fer sur terre…

6. L’ascenseur spatial

7. L’intérêt de l’ascenseur spatial 1Kg en orbite GEO coûte 40.000 € L’énergie potentielle de ce Kilo est 14.8 KWh, soit environ 2€. Même avec un rendement de 10%, une montée en ascenseur coûterait donc 20 €/Kg, soit 2.000 fois moins cher qu’en fusée ! L’ascenseur spatial

8. Fabriquer le câble Le lancer Le déployer Alimenter les cabines en énergie Eviter les catastrophes Les défis de l’ascenseur spatial

9. Il n’existe aucun câble sur terre qui soit assez solide et léger… Les câbles en nanotubes de carbone (CNT) sont en cours de développement. Leurs performances doublent chaque année depuis 1993. (cf. Nanocyl) Un CNT résiste en théorie à 30.000 Kg/mm 2 , contre seulement 420 Kg/mm 2 pour le meilleur acier. Un CNT est 6 fois plus léger que de l’acier (1,3 contre 7,4 Kg/dm 3 ). On devrait pouvoir faire un câble avec ces propriétés: Dimensions : 100.000 Km x 100 mm x 0,001 mm Section nette : 2 mm 2 Volume et Poids du câble : 2.000 M3, 2.600 Tonnes Charge utile : 20 Tonnes Défi n° 1 : le câble

10. Que lancer ? Des bobines de câble Un contrepoids Un système de déroulement du câble. Comment ? Avec des fusées ! Monter le matériel en LEO (500 km – en plusieurs trajets), Assemblage des éléments en LEO, Changement de plan orbital et montée jusqu’en GEO (36.000 km). 10 Milliards de dollars environ ! De plus … On ne lance pas le câble complet, mais seulement une ‘amorce’ de 260 tonnes. On se servira de l‘amorce pour hisser le reste du câble de 2600 tonnes. Défi n° 2 : le lancement

11. On lance simultanément une extrémité vers le haut avec le contrepoids et l’autre vers le bas. On attrape la base du câble et on la fixe solidement au sol. Les premières cabines renfor- ceront le câble à chaque passe en y ajoutant des brins. En 2 ans et 230 montées, on passera du câble initial de 0,2 mm 2 à un câble de 2 mm 2 capable d’enlever des charges de 20 tonnes. Défi n° 3 : déployer le câble

12. On lance simultanément une extrémité vers le haut avec le contrepoids et l’autre vers le bas. On attrape la base du câble et on la fixe solidement au sol. Les premières cabines renfor- ceront le câble à chaque passe en y ajoutant des brins. En 2 ans et 230 montées, on passera du câble initial de 0,2 mm 2 à un câble de 2 mm 2 capable d’enlever des charges de 20 tonnes. Défi n° 3 : déployer le câble

13. 200 Km/h 200 KW pour monter en GEO, rien pour redescendre. On transmet l’énergie par faisceaux lasers (Gigawatts) depuis le sol vers des cellules (50 M 2 environ) Ne pas oublier des panneaux radiants pour se débarrasser de l’énergie en descente : le refroidissement par air n’est pas possible dans l’espace! Défi n° 4 : l’ énergie de propulsion

14. Orages Satellites LEO et débris connus Météorites et débris orbitaux inconnus Radiations, oxydation du câble Vent, nuages créant des oscillations. Défi n° 5 : éviter les risques (1/5)

15. Risques météo et objets orbitaux connus Solution : une base flottante sur l’équateur dans le Pacifique. Zone sans orages; peu de nuages, donc peu d’interruptions Mobilité, d’où possibilité d’éviter orages et débris en orbite. Défi n° 5 : éviter les risques (2/5)

16. Satellites et débris connus Solution : Une base mobile et un réseau de surveillance radar plus précis que ceux existant est indispensable. On compte 9.000 satellites > 10 cm : des nouveaux, des vieux et des débris de satellites et autres fusées. Si on compte ceux de 1 cm de taille, on en recense plus de 100.000. Une manoeuvre de 1 Km par jour suffira à éviter tout objet connu > 1cm . Défi n° 5 : éviter les risques (3/5)

17. Défi n° 5 : éviter les risques (4/5) Météorites et objets orbitaux imprévus Solutions : employer des câbles en forme de ruban, employer 2 câbles au lieu d’un, employer 2 ascenseurs au lieu d’un : Redondance à tous les niveaux !

18. Défi n° 5 : éviter les risques (5/5) Autres risques Oxydation par l’oxygène libre en haute atmosphère Solution : un revêtement anti-corrosion Usure due au passage des cabines Solution : chaque cabine inspecte le câble au passage et le répare tout en se déplaçant. Les cabines sont aussi conçues pour ajouter des brins au câble pour le renforcer à chaque passage.

19. Les cabines Propulsion par moteur électrique et chenilles Cellules de captation d’énergie (20 à 50 m 2 ) Télécommunications Charge utile Appareillage de maintenance du câble

20. Le concept en une image

21. L’ascenseur spatial Délais Quand toutes ces techniques seront-elles au point ? Le 27 Octobre 2031, tout au moins d’après LiftPort Group - The Space Elevator Companies qui publie un calendrier de développement. D’autres sources avancent des dates situées entre 20 et 50 ans, mais très peu d’entre elles croient que les fusées chimiques continueront à être notre voie vers l’espace d’ici un siècle.

22. Le premier ascenseur spatial coûtera 10 Milliards € C’est quand même 20 fois moins cher que le projet Apollo ! Ça sera très rentable Coût d’un jour d’exploitation : 1 Million € 1 trajet dure 1 semaine à 200 Km/H 3 cabines à la fois sur le câble, un départ tous les 3 jours La plupart seront des cabines jetables ‘aller-simple’ 1 Kg en GEO reviendra à environ 400 à 500 € (contre 40.000 € maintenant!) Les finances (1/2) Réduction -99%

23. Le premier ascenseur spatial aura coûté 10 Milliards € Le deuxième 4 Milliards € Parce qu’on utilisera le premier comme moyen de transport. Chaque câble sera utilisé dans un seul sens : montée ou descente. Le prix du Kg en GEO tombe à 150 €, la fiabilité augmente. Les deux suivants coûteront 8 Milliards € Mais ils auront 200 Tonnes de capacité et plus seulement 20 Tonnes. Avec 2 paires de câbles (les petits pour le personnel, les gros pour le matériel), le prix du Kg en GEO tombe à 50 €. Le prix sera surtout dû aux installations fixes : lasers, logistique, etc. Les finances (2/2)

24. Lancement et réparation de satellites en GEO Lancement de satellites en LEO Les usages de l’ascenseur spatial (1/4)

25. Bases permanentes en GEO La médecine en apesanteur Le tourisme Les hôtels à faible gravité Les usages de l’ascenseur spatial (2/4)

26. Usines spatiales Centrales solaires en orbite renvoyant l’énergie au sol (et aussi vers les cabines qui montent) par laser. Les usages de l’ascenseur spatial (3/4)

27. Exploration spatiale Lancement vers la lune et Mars (attention, les changements de plan orbital ne seront malgré tout pas gratuits) Les ascenseurs spatiaux sur la lune et sur Mars (attention à Phobos et Deimos !!!) La ceinture orbitale Les vols interstellaires… Les usages de l’ascenseur spatial (4/4)

28. www.elevator2010.org organise chaque année un concours d’élévateurs prototypes et de câbles La dernière date du 20 Octobre 2006 à Albuquerque, USA. Le but est d’être 50% meilleur chaque année. Les inscriptions 2007 sont ouvertes ! La competition

29. Les bénéfices potentiels sont importants 2 techniques-clé manquent : le câble et les lasers de puissance Probablement accessible d’ici 30 à 50 ans Une recherche à long terme, mais d’un intérêt exceptionnel Rendez-vous au Liftport de l’ île de Pâques en Octobre 2037 ! Le futur de l’exploration spatiale ?

30. «Leaving the planet by space elevator» de B. Edwards «The Space Elevator» de B. Edwards «Liftport: Opening Space to Everyone» Références www.spaceelevator.com www.liftport.com www.isr.us www.elevator2010.org www.spaceward.org

31. www.benoitmichel.be Benoit MICHEL, Mars 2007 Images copyright Alan Chan & his space elevator visualisation group