Qu’est-ce qu’il faut pour construire une ascenseur spatial ?

Est-ce qu’un jour, on pourra construire une tour qui pourra mener dans l’espace, connu comme un ascenseur spatial ? Ce sera possible dans un futur lointain, mais il faudra s’inspirer de certains mécanismes biologiques pour surmonter les limites actuelles des matériaux et de l’ingénierie classique.


Le Burj Khalifa à Dubai d'une hauteur de 828 mètres
Le Burj Khalifa à Dubai d'une hauteur de 828 mètres

Le désir humain de créer des structures toujours plus grandes et plus impressionnantes est insatiable. Les pyramides de l’Égypte ancienne, la Grande Muraille de Chine et le Burj Khalifa de Dubaï, désormais le plus haut édifice au monde à plus de 828 mètres, sont la conséquence de l’ingénierie à ses limites. Mais les énormes bâtiments ne sont pas que des monuments à l’ambition humaine : ils pourraient aussi être la clé du progrès de l’humanité dans l’ère de l’espace.

Des propositions pour un ascenseur spatial

Des propositions circulent actuellement pour une tour autonome ou un ascenseur spatial pouvant atteindre l’orbite géosynchrone autour de la Terre. Une telle tour serait une alternative au transport par fusée et réduirait considérablement la quantité d’énergie nécessaire pour pénétrer dans l’espace. Au-delà de cela, nous pouvons imaginer des mégastructures spatiales de plusieurs kilomètres, alimentées par l’énergie solaire, englobant peut-être des planètes ou même des étoiles.

Le Burj Khalifa à Dubai d'une hauteur de 828 mètres

Le Burj Khalifa à Dubai d’une hauteur de 828 mètres

Ces dernières années, les ingénieurs ont pu développer des échelles plus importantes grâce à la robustesse et à la fiabilité de substances telles que les nouveaux alliages d’acier. Mais, à l’heure où nous entrons dans le domaine des mégastructures (celles de 1 000 km ou plus), le maintien de la sécurité et de l’intégrité structurelle est devenu un défi titanesque. Quand quelque chose devient grand, alors il subit plus de stress en raison de son poids et de sa taille. Le stress est une mesure de la tension mécanique, par exemple, lorsque vous tirez quelque chose de l’une des extrémités ou que vous le serrez. La force est la tension maximale qu’une structure peut supporter avant de casser.

S’inspirer du design biologique

Il s’avère que le design biologique, doté d’environ 3,8 milliards d’années d’expérience, pourrait aider à résoudre ce problème. Avant l’ère de la science des matériaux, les ingénieurs devaient se tourner vers la nature pour trouver des astuces créatives afin de les aider à surmonter les restrictions de leurs matériaux. Les civilisations classiques, par exemple, ont équipé leurs machines de guerre avec des tendons torsadés fabriqués à partir de peaux d’animaux, qui pouvaient s’étendre et se replier pour lancer des projectiles sur l’ennemi. Mais ensuite, on a eu des substances telles que l’acier et le béton et elles sont devenues successivement plus dures et plus légères.

Cela a conduit à une sous-discipline appelée ingénierie de la fiabilité. Les concepteurs ont commencé à fabriquer des structures beaucoup plus résistantes que la charge maximale possible, ce qui signifiait que la contrainte sur les matériaux restait dans une fourchette où la probabilité de rupture était très faible. Une fois que les structures se sont transformées en mégastructures, les calculs montrent que cette approche peu prudente limite leur taille. Les mégastructures poussent nécessairement les matériaux à leurs limites et éliminent le luxe de résister à des niveaux de stress confortables.

Nos os et tendons sont bien plus solides qu’on le pense

Mais ni les os, ni les tendons de notre corps ne jouissent de ce luxe. En fait, ils sont souvent comprimés et étirés bien au-delà du point auquel leurs substances sous-jacentes pourraient s’attendre à se rompre. Pourtant, ces composants du corps humain sont encore beaucoup plus fiables que ne le laisserait supposer leur force matérielle. Par exemple, une simple course peut pousser le tendon d’Achille à plus de 75 % de sa résistance à la traction tandis que les haltérophiles peuvent subir des contraintes supérieures à 90 % de la force de leurs lombaires lorsqu’ils soulèvent des centaines de kilos.

Le Burj Khalifa à Dubai d'une hauteur de 828 mètres

Le Burj Khalifa à Dubai d’une hauteur de 828 mètres

Comment la biologie gère-t-elle ces charges ‘ La réponse est que nos corps réparent et recyclent constamment leurs matériaux. Dans les tendons, les fibres de collagène sont remplacées de telle manière que, si certaines sont endommagées, le tendon global reste en bonne santé. Cette auto-réparation constante est efficace et peu coûteuse et peut changer en fonction de la charge. En effet, toutes les structures et cellules de notre corps sont en constante rotation ; on estime que près de 98 % des atomes du corps humain sont remplacés chaque année.

Un câble de 91 000 km et des robots de réparation

Nous avons récemment appliqué ce paradigme d’auto-réparation pour voir s’il est possible de construire un ascenseur spatial fiable avec les matériaux disponibles.1 Une conception commune proposée comporte un câble de 91 000 km de long (appelé attache), s’étendant depuis l’équateur et équilibré par un contrepoids dans l’espace.2 La longe serait constituée de faisceaux de fibres parallèles, semblables aux fibres de collagène dans les tendons ou les ostéomes dans les os, mais fabriqués à partir de Kevlar, un matériau que l’on retrouve dans les gilets pare-balles et à l’épreuve des couteaux.

En utilisant des capteurs et des logiciels artificiellement intelligents, il serait possible de modéliser mathématiquement l’ensemble du câble afin de prévoir quand, où et comment les fibres se briseraient. Et si cela se produit, des grimpeurs robotiques rapides, qui patrouillent le long de la longe les remplaçeraient, ajustant le taux d’entretien et de réparation au besoin, imitant la sensibilité des processus biologiques. Malgré des contraintes très élevées par rapport à ce que les matériaux peuvent supporter, nous avons montré que cette structure serait fiable et n’exigerait pas de taux de remplacement exorbitants. En outre, la résistance maximale que le matériau devrait posséder pour obtenir une structure fiable a été réduite de 44 %.

Les mécanismes biologiques pour les ponts et les gratte-ciels

Cette approche bio-inspirée de l’ingénierie peut également aider les structures sur Terre, telles que les ponts et les gratte-ciel. En mettant au défi nos matériaux et en équipant les systèmes de mécanismes de réparation et de remplacement autonomes, nous pouvons dépasser les limitations actuelles tout en améliorant la fiabilité. Pour avoir une idée des avantages de travailler plus près de la limite de résistance à la traction, regardez un pont suspendu comportant des longueurs de câble en acier qui plongent au centre. Le principal obstacle à l’augmentation de la portée du pont est que, du fait que nous utilisons des cordes plus longues, elles deviennent plus lourdes et se cassent sous leur propre poids. Si la corde n’est pas tendue à plus de 50 % de sa force totale, la portée maximale est d’environ 4 km ; mais lorsque la force atteint 90 % de sa force, la portée augmente de façon spectaculaire à plus de 7,5 km. Mais pour garantir la sécurité du câble, il faudra remplacer les fibres d’acier dans un processus affiné, comme dans les systèmes biologiques.

La Shangai Tower, d'une hauteur de 632 mètres

La Shangai Tower, d’une hauteur de 632 mètres

Les mégastructures ne sont plus de la science-fiction. Jamais dissuadés par l’effondrement de la tour de Babel, tel que raconté dans l’Ancien Testament, les humains ont continué à construire plus grand et plus haut et plus vite, alimentés par des progrès scientifiques et technologiques considérables. Pourtant, selon les normes de l’ingénierie de fiabilité classique, nous sommes encore loin d’atteindre nos limites. Nous avons plutôt besoin d’un nouveau paradigme, axé non seulement sur la force matérielle, mais aussi sur les capacités de reconstruction inhérentes aux systèmes. Nous ne devrions pas chercher plus loin que la générosité de la vie biologique autour de nous et nous sommes convaincus qu’il y a beaucoup à apprendre de l’histoire de l’évolution.

Traduction d’un article sur Aeon par Sean Sun, vice-chair et professeur dans le département d’ingénierie mécanique à la Johns Hopkins University.

 

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Sources

1.
Building the Space Elevator: Lessons from Biological Design. arXiv. https://arxiv.org/abs/1804.06453. Published August 24, 2018. Accessed August 24, 2018.
2.
Pearson J. The orbital tower: A spacecraft launcher using the Earth’s rotational energy. A. 1975;2(9-10):785-799. doi:10.1016/0094-5765(75)90021-1
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Houssen Moshinaly

Rédacteur en chef d'Actualité Houssenia Writing. Rédacteur web depuis 2009 et vulgarisateur scientifique.

Je m'intéresse à tous les sujets scientifiques allant de l'Archéologie à la Zoologie. Je ne suis pas un expert, mais j'essaie d'apporter mes avis éclairés sur de nombreux sujets scientifiques.

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