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Un ascenseur spatial est une structure théorique : un câble fixé au sol à l'équateur et montant bien au-delà de l'orbite géostationnaire, le long duquel des véhicules grimperaient jusqu'à l'espace au lieu de partir en fusée. C'est une vraie idée d'ingénierie, pas seulement un procédé de roman, mais rien de tel n'a été construit. Cette page fait partie de notre dossier History of Science Fiction.
L'astuce vient de la rotation de la Terre. À environ 35 786 kilomètres au-dessus de l'équateur, un satellite fait le tour de la planète en un jour : il reste donc au-dessus du même point du sol. C'est l'orbite géostationnaire. Si l'on laisse pendre un câble depuis cette altitude, il peut rester en place, soutenu par cette même rotation. Ajoutez un contrepoids plus loin pour garder le câble tendu, et vous obtenez une route vers l'espace.
L'intérêt, c'est le coût et la douceur du voyage. Les fusées brûlent d'énormes quantités de carburant rien que pour soulever leur propre carburant. Une cabine grimpeuse utiliserait de l'électricité et monterait régulièrement : le prix d'envoi d'un kilogramme en orbite pourrait chuter fortement. Le hic, c'est que le câble devrait être d'une résistance incroyable pour son poids.
Comment fonctionnerait un ascenseur spatial
La plupart des projets comportent quatre éléments.
- L'ancrage. Une base sur l'équateur, souvent imaginée comme une plateforme dans une zone calme de l'océan, afin de pouvoir la déplacer pour éviter les tempêtes.
- Le câble. Un très long ruban ou câble, plus épais près de l'altitude géostationnaire, où il supporte le plus de poids, et plus fin près du sol.
- Les cabines grimpeuses. Des véhicules électriques qui s'agrippent au câble et montent ou descendent en transportant du fret ou des passagers.
- Le contrepoids. Une station ou un astéroïde capturé, situé au-delà de l'orbite géostationnaire. Sa traction vers l'extérieur maintient toute la ligne tendue.
Pourquoi l'équateur ? L'orbite géostationnaire n'existe qu'au-dessus de l'équateur, et le câble doit pendre droit vers le centre de la Terre. Pourquoi tient-il en l'air ? Sous l'altitude géostationnaire, la gravité l'emporte et tire le câble vers le bas. Au-dessus, la rotation tend à projeter les objets vers l'extérieur. Le câble est tiré dans les deux sens, tendu comme une corde de guitare.
Le voyage serait lent. Une cabine avançant à 200 kilomètres par heure mettrait environ une semaine pour atteindre l'altitude géostationnaire. C'est pourquoi beaucoup de projets prévoient des stations en chemin, et pourquoi l'idée convient mieux au fret qu'à un voyage rapide de passagers.
La plupart des plans prévoient aussi une construction du haut vers le bas. Un vaisseau emporterait le premier câble fin jusqu'à l'orbite géostationnaire et le descendrait vers le sol ; plus tard, des cabines ajouteraient des couches pour l'épaissir.
Une brève histoire de l'idée
En 1895, le scientifique russe Constantin Tsiolkovski, inspiré par la tour Eiffel, imagine une tour s'élevant du sol jusqu'à l'altitude orbitale. Une tour aussi haute serait écrasée par son propre poids, et l'idée est restée une expérience de pensée.
La version moderne date de 1960, quand l'ingénieur de Léningrad Iouri Artsoutanov décrit un câble descendu depuis un satellite jusqu'à la Terre. Comme le câble pend au lieu de se dresser, il est étiré plutôt qu'écrasé, ce qui exploite bien mieux les matériaux. Son idée paraît dans un journal soviétique et reste peu connue en Occident pendant des années. Des chercheurs américains arrivent à des idées voisines dans les années 1960 et 1970, dont Jerome Pearson, qui publie une étude détaillée en 1975.
L'idée touche le grand public en 1979, quand Arthur C. Clarke publie Les Fontaines du paradis, un roman sur la construction d'un ascenseur spatial. Le livre de Clarke rend le concept célèbre dans le monde entier, et les ingénieurs le citent encore.
En 1991, le physicien japonais Sumio Iijima attire l'attention sur les nanotubes de carbone, de minuscules tubes d'atomes de carbone d'une résistance remarquable. L'espoir de fabriquer un câble avec ce matériau conduit à des études financées par la NASA autour de 2000. En 2012, l'entreprise japonaise de construction Obayashi présente un projet visant un ascenseur spatial pour 2050, fondé sur les nanotubes de carbone.
Ce que dit la science
La physique est établie. La mécanique orbitale, l'équilibre entre gravité et rotation, et l'effilement du câble sont bien compris, et aucune loi de la nature n'interdit un ascenseur spatial. Ce qui reste ouvert, c'est de savoir si nous pouvons le construire.
Le problème du matériau. Un câble de plus de 35 000 kilomètres doit supporter son propre poids, et la contrainte est maximale en altitude. L'acier est très loin du compte. Un matériau utilisable doit avoir un rapport résistance/poids de nombreuses fois supérieur. Les nanotubes de carbone sont le candidat le plus évoqué : pris isolément, ils sont extrêmement résistants en laboratoire. Mais les longues fibres fabriquées jusqu'ici sont bien plus faibles que les tubes isolés et bien plus courtes que les dizaines de milliers de kilomètres nécessaires. Le graphène et d'autres matériaux sont aussi étudiés. Tant qu'aucun n'existe à cette échelle, l'ascenseur reste un plan sur le papier.
Les dangers. La partie basse du câble traverse la météo, la foudre et le vent, et l'oxygène atomique de la haute atmosphère peut ronger certains matériaux. Plus haut, la ligne croise les ceintures de radiation et une zone très fréquentée, pleine de satellites et de débris. Un câble est une longue cible pour les débris, un risque étroitement lié au syndrome de Kessler. Les cabines qui se déplacent le long du câble peuvent aussi le faire osciller, et les concepteurs doivent donc prévoir des moyens d'amortir ce mouvement.
Des étapes plus modestes. La gravité de la Lune étant environ six fois plus faible que celle de la Terre, un ascenseur lunaire pourrait se faire avec des fibres solides que nous savons déjà produire. Cette idée a été étudiée, mais personne n'en a construit. À plus petite échelle, une équipe de l'université de Shizuoka, au Japon, a testé en 2018 une minuscule cabine se déplaçant sur un câble entre deux petits satellites lâchés depuis la Station spatiale internationale. Elle a montré que le principe de la montée fonctionne en orbite, ce qui est encore très loin d'un vrai ascenseur.
Les estimations de la date possible d'un ascenseur spatial vont du milieu de ce siècle à jamais. Un résumé honnête : c'est un défi d'ingénierie, pas une impossibilité, mais un défi qui dépend d'une percée sur les matériaux.
Dans la fiction
Les Fontaines du paradis (1979) de Clarke est le grand classique. Un ingénieur nommé Vannemar Morgan prévoit de bâtir une tour vers l'orbite depuis une montagne d'une île imaginaire inspirée du Sri Lanka. Le roman traite ce projet comme un exploit d'ingénierie sérieux, avec sa politique et ses risques.
La trilogie martienne de Kim Stanley Robinson, qui commence avec Mars la rouge (1992), met en scène un ascenseur spatial sur Mars. Il devient un enjeu de la lutte pour le contrôle de la planète. L'idée est aussi très présente dans la science-fiction japonaise. L'anime Mobile Suit Gundam 00 (2007) repose sur des ascenseurs orbitaux qui acheminent l'énergie solaire vers la Terre, et ils pèsent sur la politique de l'histoire.
Ces récits se servent de l'ascenseur de façons différentes. Certains y voient l'ambition humaine, d'autres le pouvoir de celui qui contrôle l'accès à l'espace. Dans presque tous, il est à la fois une échelle et un trophée.
Idées reçues
- Ce n'est pas une grande tour. Il ne se tient pas debout tout seul comme un gratte-ciel. Il pend d'en haut et est maintenu tendu par le contrepoids.
- On ne serait pas en apesanteur tout de suite. La gravité diminue progressivement avec l'altitude. Ce n'est qu'à l'altitude géostationnaire que la rotation l'annule pour un objet retenu par le câble.
- Une rupture ne ferait pas tomber tout le câble sur le sol. Cela dépend de l'endroit où il casse. La partie haute partirait vers l'espace, la partie basse retomberait, en grande partie consumée dans l'air. Ce serait quand même un désastre, ce qui explique l'inquiétude des concepteurs au sujet des débris.
- Ce n'est pas que de la science-fiction. Des études sérieuses existent dans des instituts financés par la NASA et dans des entreprises comme Obayashi. Mais on est loin de pouvoir le construire.
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Le syndrome de Kessler explique le problème des débris en orbite auquel tout ascenseur spatial devrait survivre. La terraformation examine ce que les humains pourraient faire sur d'autres mondes quand l'accès à l'espace deviendra moins cher.
