Illustration d'un artiste d'un système de transport par ascenseur spatial massif. Les futures versions de la technologie pourraient un jour se réparer.
(Image: © Japan Space Elevator Association)
Des ascenseurs spatiaux pour transporter les passagers et le fret vers et depuis l'orbite pourraient être construits en utilisant des matériaux existants, si la technologie s'inspire de la biologie pour se réparer au besoin, selon une nouvelle étude.
En théorie, un ascenseur spatial se compose d'un câble ou d'un faisceau de câbles qui s'étendent sur des milliers de kilomètres jusqu'à un contrepoids dans l'espace. La rotation de la Terre maintiendrait le câble tendu, et les véhicules grimpants feraient glisser le câble de haut en bas à la vitesse d'un train.
La montée d'un ascenseur spatial prendrait probablement des jours. Cependant, une fois un ascenseur spatial construit, un voyage dans l'espace sur la technologie pourrait être beaucoup moins cher et plus sûr que sur une fusée. La technologie des ascenseurs spatiaux est actuellement testée dans la vie réelle dans l'expérience japonaise STARS-Me (abréviation de Space Tethered Autonomous Robotic Satellite-Mini Elevator), qui est arrivée à la Station spatiale internationale le 27 septembre à bord du vaisseau cargo robotisé HTV-7 du Japon .
Le concept de l'ascenseur de type haricot magique vers l'espace remonte à une «expérience de pensée» de 1895 du pionnier de l'espace russe Konstantin Tsiolkovsky. Depuis, de telles «mégastructures» se sont souvent manifestées dans la science-fiction. Le problème clé de la création d'ascenseurs spatiaux est de construire un câble suffisamment solide pour résister aux forces extraordinaires qu'il rencontrerait. [«Pilier vers le ciel»: une séance de questions / réponses avec l'élévateur spatial avec l'auteur William Forstchen]
Un choix naturel pour construire un câble d'ascenseur spatial sont des tuyaux en carbone de seulement nanomètres ou milliardièmes de mètre de large. Des recherches antérieures ont montré que ces nanotubes de carbone peuvent s'avérer 100 fois plus solides que l'acier à un sixième du poids.
Cependant, actuellement, les scientifiques ne peuvent fabriquer des nanotubes de carbone qu'environ 21 pouces (55 centimètres) de long au maximum. Une alternative consiste à utiliser des composites chargés de nanotubes de carbone, mais ceux-ci ne sont pas suffisamment résistants en eux-mêmes.
Maintenant, les chercheurs ont suggéré que s'inspirer de la biologie pourrait aider les ingénieurs à construire des ascenseurs spatiaux en utilisant des matériaux existants. "Espérons que cela incitera quelqu'un à essayer de construire l'ascenseur spatial", a déclaré à Space.com le co-auteur de l'étude, Sean Sun, ingénieur en mécanique à l'Université Johns Hopkins de Baltimore.
Inspiration bio-ascenseur
Les scientifiques ont noté que lorsque les ingénieurs conçoivent des structures, ils ont souvent besoin des matériaux pour que ces structures fonctionnent à seulement la moitié de leur résistance maximale à la traction, ou moins que cela. Ce critère limite les risques de défaillance des structures, car il leur donne une marge de manœuvre pour gérer les variations de résistance des matériaux ou des circonstances imprévues. [Allons-nous jamais arrêter d'utiliser des roquettes pour atteindre l'espace?]
En revanche, chez l'homme, le tendon d'Achille résiste régulièrement aux contraintes mécaniques très proches de son
résistance ultime à la traction. La biologie peut pousser les matériaux à leurs limites en raison de mécanismes de réparation continus, ont déclaré les chercheurs.
"Avec l'auto-réparation, les structures d'ingénierie peuvent être conçues différemment et de manière plus robuste", a déclaré Sun.
Par exemple, le moteur qui entraîne les flagelles en forme de fouet que de nombreuses bactéries utilisent pour la propulsion "tourne à environ 10 000 tr / min [tours par minute], mais il répare et retourne également activement tous ses composants sur des échelles de temps de quelques minutes". Dit Sun. "C'est comme si vous rouliez sur la route à 100 mph [160 km / h] tout en retirant vos moteurs et votre transmission pour les remplacer!"
Les chercheurs ont développé un cadre mathématique pour analyser combien de temps un ascenseur spatial pourrait durer si des parties de sa longe subissaient une rupture aléatoire mais la mégastructure possédait une auto-réparation
mécanisme. Les chercheurs ont découvert qu'un ascenseur spatial très fiable était possible en utilisant des matériaux existants s'il subissait des taux de réparation modérés, tels que des robots.
Par exemple, compte tenu de la fibre synthétique commerciale connue sous le nom de M5, "une longe de masse de 4 milliards de tonnes est possible", a déclaré Sun. "C'est environ 10 000 fois la masse du plus haut bâtiment [du monde], Burj Khalifa. De façon plus réaliste, quelque chose comme un composite de nanotubes de carbone fera l'affaire."
Sun et l'auteur principal de l'étude, Dan Popescu, étudiant au doctorat à l'Université Johns Hopkins, ont détaillé leurs conclusions mercredi 17 octobre dans le Journal of the Royal Society Interface.
