Ascenseur spatial : fantasme ou réalité ? Ascenseur orbital Ascenseur orbital

02.07.2020

1. Il n'y a pas assez de matériau solide pour le câble

La charge sur le câble peut dépasser 100 000 kg/m, de sorte que le matériau 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 durables et les plus élastiques de la planète, ne conviennent pas.

Malheureusement, la technologie pour leur production commence à peine à être développée. Jusqu'à présent, de minuscules morceaux de matériau ont été obtenus : le nanotube le plus long jamais créé mesure quelques centimètres de long et quelques nanomètres de large. On ne sait pas encore s'il sera jamais possible d'en faire un câble suffisamment long.

2. Sensibilité aux vibrations dangereuses

Le câble sera sensible aux rafales imprévisibles de 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, il sera difficile pour les cabines spéciales, les soi-disant "alpinistes", de se déplacer le long du câble. Le câble résonnera très probablement avec eux.

3. Force de Coriolis

Le câble et les "alpinistes" 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 «alpinistes» doivent avoir cette vitesse au démarrage. Le "Alpinist" accélère dans une direction perpendiculaire au câble, et à cause de cela, le câble se balancera comme un pendule. Au même moment, une force surgit qui tente d'arracher notre câble de la Terre. La force est inversement proportionnelle à la quantité de déviation du câble et directement proportionnelle à la vitesse de levage de la charge et à sa masse. Ainsi, la force de Coriolis rend difficile le levage rapide de charges utiles en orbite géostationnaire.

La force de Coriolis peut être combattue 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. En option - une montée douloureusement lente sur une chenille.

4. Satellites et débris spatiaux

Au cours des 50 dernières années, l'humanité a lancé de nombreux objets dans l'espace - utiles et pas très. Soit les constructeurs d'ascenseurs devront tout trouver et l'enlever (ce qui est impossible, vu le nombre de satellites utiles ou de télescopes en orbite), ou prévoir un système qui protège l'objet des collisions. Le câble est théoriquement immobile, donc tout corps tournant autour de la Terre le heurtera tôt ou tard. De plus, la vitesse de collision sera presque égale à la vitesse de rotation de cet organe, de sorte que le câble subira de nombreux dommages. Le câble ne peut pas manœuvrer et il a une grande longueur, donc les collisions seront fréquentes.

Comment gérer cela n'est pas encore clair. Les scientifiques parlent de construire un laser spatial orbital pour incinérer les débris, mais cela est complètement hors du domaine de la science-fiction.

5. Risques sociaux et environnementaux

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

Les écologistes pensent aussi que le câble, paradoxalement, peut déplacer l'axe de la Terre. L'attache sera rigidement fixée en orbite et tout déplacement au sommet se reflétera sur la Terre. Au fait, pouvez-vous imaginer ce qui se passera s'il se rompt soudainement ?

Ainsi, il est très difficile de mettre en œuvre un tel projet sur Terre. Et maintenant la bonne nouvelle : cela fonctionnera sur la lune. La force de gravité sur le satellite est bien moindre et l'atmosphère est pratiquement absente. Une ancre peut être créée dans le champ de gravité terrestre et le câble de la Lune passera par le point de Lagrange - ainsi, nous obtenons un canal de communication entre la planète et son satellite naturel. Un tel câble, dans des conditions favorables, pourra transporter environ 1 000 tonnes de fret par jour sur l'orbite terrestre. Le matériau, bien sûr, nécessitera des travaux lourds, mais rien de fondamentalement nouveau ne devra être inventé. Certes, la longueur de l'ascenseur "lunaire" devra être d'environ 190 000 km en raison d'un effet appelé la trajectoire de Hohmann.

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Selon les calculs théoriques, ils semblent être un matériau approprié. Si nous supposons leur aptitude à la fabrication d'un câble, la création d'un ascenseur spatial est un problème d'ingénierie résoluble, bien qu'il nécessite l'utilisation de développements avancés et. La NASA finance déjà des développements connexes par l'American Institute for Scientific Research, notamment le développement d'un ascenseur capable de se déplacer de manière autonome le long d'un câble. Vraisemblablement, une telle méthode à l'avenir peut être de plusieurs ordres de grandeur moins chère que l'utilisation de lanceurs.

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Les sous-titres

Concevoir

À titre de comparaison, la résistance de la plupart des types d'acier est d'environ 1 GPa, et même pour ses types les plus résistants - pas plus de 5 GPa, et l'acier est lourd. Le Kevlar, beaucoup plus léger, a une résistance de l'ordre de 2,6 à 4,1 GPa, tandis que 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.

La technologie de tissage de telles fibres en est encore à ses balbutiements.

Selon certains scientifiques, même les nanotubes de carbone ne seront jamais assez solides pour fabriquer une attache d'ascenseur spatial.

Des expériences menées par des scientifiques de l'Université de technologie de Sydney ont permis de créer du papier au 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 transférer de l'énergie à l'ascenseur en tant que bus de contact.

En juin 2013, des ingénieurs de l'université de Columbia aux États-Unis annoncent une nouvelle avancée : grâce à une nouvelle technologie de production de graphène, il est possible d'obtenir des feuilles d'une diagonale de plusieurs dizaines de centimètres et d'une résistance inférieure de seulement 10 % à la théorie. .

Épaississement de la corde

Un ascenseur spatial doit supporter au moins son propre poids, en raison de la longueur de l'attache. L'épaississement d'une part augmente la résistance du câble, d'autre part, il ajoute son poids, et donc la résistance requise. La charge sur celui-ci variera selon les endroits : dans certains cas, la section de la longe doit supporter le poids des segments inférieurs, dans d'autres, elle doit résister à la force centrifuge qui maintient les parties supérieures de la longe en orbite. Pour satisfaire cette condition et atteindre l'optimalité du câble en chacun de ses points, son épaisseur sera variable.

On peut montrer que, compte tenu de la gravité de la Terre 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 :

UNE (r) = UNE 0 exp ⁡ [ ρ s [ 1 2 ω 2 (r 0 2 - r 2) + g 0 r 0 (1 - r 0 r) ] ] (\displaystyle A(r)=A_(0 )\ \exp \left[(\frac (\rho )(s))\left[(\begin(matrice)(\frac (1)(2))\end(matrice))\omega ^(2)( r_(0)^(2)-r^(2))+g_(0)r_(0)(1-(\frac (r_(0))(r)))\right]\right])

Ici UNE (r) (\displaystyle A(r))- section de câble en fonction de la distance r (\ displaystyle r)à partir de centre Terre.

Les constantes suivantes sont utilisées dans la formule :

Cette équation décrit un câble dont l'épaisseur augmente d'abord de manière exponentielle, puis sa croissance ralentit à une hauteur de plusieurs rayons terrestres, puis elle devient constante, atteignant finalement l'orbite géostationnaire. Après cela, l'épaisseur recommence à diminuer.

Ainsi, le rapport des sections transversales de l'attache à la base et à l'OSG ( r= 42 164 km) ont : UNE (r G E O) UNE 0 = exp ⁡ [ ρ s × 4 , 832 × 10 7 m 2 s 2 ] (\displaystyle (\frac (A(r_(\mathrm (GEO) )))(A_(0)) )=\exp \left[(\frac (\rho )(s))\times 4,832\times 10^(7)\,\mathrm (\frac (m^(2))(s^(2))) \droite])

En substituant ici la densité et la résistance pour différents matériaux et différents diamètres d'attache au niveau du sol, nous obtenons un tableau des diamètres d'attache au niveau GSO. Il convient de noter que le calcul a été effectué à la condition que l'ascenseur se tienne «tout seul», sans charge - car le matériau du câble subit déjà une tension due à son propre poids (et ces charges sont proches du maximum admissible pour ce matériau).

Le diamètre de la longe du GSO, en fonction de son diamètre au sol,
pour divers matériaux (calculé selon la dernière formule), m

Matériel	Densité ρ (\displaystyle\rho ), kg÷m 3	Limite de force s (\ displaystyle s), Papa	Diamètre de la corde au niveau du sol
Matériel	Densité ρ (\displaystyle\rho ), kg÷m 3	Limite de force s (\ displaystyle s), Papa	1 millimètre	1cm	10cm	1m
Acier St3 laminé à chaud	7760	0,37 10 9	1,31 10 437	1,31 10 438	1,31 10 439	1,31 10 440
Acier fortement allié 30HGSA	7780	1.4 10 9	4.14 10 113	4.14 10 114	4,14 10 115	4.14 10 116
la toile	1000	2,5 10 9	0,248 10 6	2,48 10 6	24,8 10 6	248 10 6
fibre de carbone moderne	1900	4 10 9	9.269 10 6	92,69 10 6	926,9 10 6	9269 10 6
nanotubes de carbone	1900	90 10 9	2,773 10 -3	2,773 10 -2	2,773 10 -1	2.773

Ainsi, il est irréaliste de construire un ascenseur à partir d'aciers de construction modernes. La seule issue est de rechercher des matériaux à plus faible densité et/ou à très haute résistance.

Par exemple, une toile (soie d'araignée) est incluse dans le tableau. Il existe divers projets exotiques pour l'extraction de toiles sur des "fermes d'araignées". Récemment, il a été rapporté qu'avec l'aide du génie génétique, il était possible d'introduire un gène d'araignée codant pour une protéine de toile dans le corps d'une chèvre. Le lait de chèvre GM contient maintenant des protéines d'araignée. On ne sait toujours pas s'il est possible d'obtenir un matériau ressemblant à une toile dans ses propriétés à partir de cette protéine. Mais, selon la presse, de tels développements sont en cours

Un autre domaine prometteur est la fibre de carbone et les nanotubes de carbone. La fibre de carbone a déjà été utilisée avec succès dans l'industrie aujourd'hui. Les nanotubes sont environ 20 fois plus résistants, mais la technologie de production de ce matériau n'a pas encore quitté les laboratoires. Le tableau a été construit sur l'hypothèse que la densité du câble de nanotubes est la même que celle de la fibre de carbone.

Voici quelques façons plus exotiques de construire un ascenseur spatial :

Contrepoids

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

Moment angulaire, vitesse et pente

La vitesse horizontale de chaque section de la longe 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 de la charge, il doit obtenir un moment cinétique supplémentaire (vitesse horizontale).

Le moment angulaire est acquis en raison de la rotation de la Terre. Au début, le treuil se déplace légèrement moins vite que le câble (effet Coriolis), « ralentissant » ainsi le câble et le déviant 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 (voir schéma) - de ce fait, l'ascenseur gagne en vitesse supplémentaire. Selon la troisième loi de Newton, le câble ralentit légèrement la Terre et le contrepoids beaucoup plus, en raison du ralentissement de la rotation du contrepoids, le câble commencera à s'enrouler sur le sol.

Dans le même temps, l'effet de la force centrifuge fait revenir le câble dans une position verticale énergétiquement favorable [ ] , de sorte qu'il sera dans un état d'équilibre stable. Si le centre de gravité d'un 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 l'orbite géostationnaire (GSO), son moment cinétique est suffisant pour lancer la cargaison en orbite. Si la charge n'est pas libérée du câble, puis s'arrête verticalement au niveau de l'OSG, elle sera dans un état d'équilibre instable, et avec une poussée infinitésimale vers le bas, elle quittera l'OSG et commencera à descendre vers la Terre avec accélération verticale, tout en décélérant 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 angulaire de la rotation de la Terre, accélérant sa rotation. En poussant 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 donc être fixée arbitrairement. Il convient de 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 ralentira dans ce cas. Ce processus est complètement réversible, c'est-à-dire que si vous mettez une charge à l'extrémité du câble et commencez à l'abaisser, en le comprimant en spirale, le moment cinétique de la 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.

lancer dans l'espace

Au bout de la longe de 144 000 km de haut, la composante de vitesse tangentielle sera de 10,93 km/s, ce qui est plus que suffisant pour quitter le champ gravitationnel terrestre et lancer des vaisseaux vers Saturne. Si l'objet est autorisé à glisser librement le long du haut de l'attache, il sera assez rapide pour quitter le système solaire. Cela se produira en raison de la transition du moment cinétique total du câble (et de la Terre) dans la 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.

Sur d'autres planètes

L'ascenseur spatial peut être construit sur d'autres planètes. De plus, plus la gravité sur la planète est faible et plus elle tourne vite, plus elle est facile à construire.

Il est également possible d'étirer un ascenseur spatial entre deux corps célestes qui tournent l'un autour de l'autre et tournent constamment l'un vers l'autre du même côté (par exemple, entre Pluton et Charon ou entre les composants du double astéroïde (90) Antiope. Cependant , puisque leurs orbites ne sont pas un cercle exact, il faudra un dispositif pour changer constamment la longueur d'un tel ascenseur.Dans ce cas, l'ascenseur peut être utilisé non seulement pour lancer une cargaison dans l'espace, mais également pour des "voyages interplanétaires". "

Imeuble

La construction est réalisée à partir d'une station géostationnaire. Une extrémité descend à la surface de la Terre, tirée par la force de gravité. L'autre, pour l'équilibrage, est dans le sens opposé, s'étirant par la force centrifuge. Cela signifie que tous les matériaux de construction doivent être livrés sur l'orbite géostationnaire de manière traditionnelle. Autrement dit, le coût de livraison de l'ensemble de l'ascenseur spatial en orbite géostationnaire est le prix minimum du projet.

Économies grâce à l'utilisation d'un ascenseur spatial

Vraisemblablement, l'ascenseur spatial réduira considérablement le coût d'envoi de fret dans l'espace. Les ascenseurs spatiaux coûtent cher à construire, mais leurs coûts d'exploitation sont faibles, il est donc préférable de les utiliser pendant de longues périodes pour de très gros volumes de fret. À l'heure actuelle, le marché du lancement de fret n'est pas suffisamment important pour justifier la construction d'un ascenseur, mais une forte baisse des prix devrait entraîner une expansion du marché.

Il n'y a toujours pas de réponse à la question de savoir si l'ascenseur spatial rendra l'argent investi ou s'il serait préférable de l'investir dans le développement ultérieur de la technologie des fusées.

Cependant, l'ascenseur peut être un projet hybride et, en plus de la fonction de livraison de fret en orbite, rester la base d'autres programmes de recherche et commerciaux qui ne sont pas liés au transport.

Progrès

Depuis 2005, les États-Unis accueillent la compétition annuelle Space Elevator Games organisée par la Spaceward Foundation avec le soutien de la NASA. Il y a deux nominations dans ces concours : « le meilleur câble » et « le meilleur robot (ascenseur) ».

Dans le concours d'ascenseurs, le robot doit surmonter la distance établie en escaladant un câble vertical à une vitesse non inférieure à celle établie par les règles (dans le concours de 2007, les normes étaient les suivantes : longueur du câble - 100 m, vitesse minimale - 2 m / s, dont la vitesse doit être atteinte est de 10 m / s) . Le meilleur résultat de 2007 est la distance parcourue de 100 m avec une vitesse moyenne de 1,8 m/s.

Le prix total du concours Space Elevator Games en 2009 était de 4 millions de dollars.

Dans le concours pour la résistance du câble, les participants doivent fournir un anneau de deux mètres en matériau résistant ne pesant pas plus de 2 grammes, qui est vérifié par une installation spéciale pour la rupture. Pour gagner le concours, la résistance du câble doit être au moins 50% supérieure à l'échantillon déjà disponible à la NASA dans cet indicateur. Jusqu'à présent, le meilleur résultat appartient au câble, qui a résisté à une charge allant jusqu'à 0,72 tonne.

Le groupe Liftport, qui a acquis une notoriété pour ses prétentions à lancer un ascenseur spatial en 2018 (plus tard repoussé à 2031), ne participe pas à ces compétitions. Liftport mène ses propres expériences, donc en 2006, un ascenseur robotique a grimpé une corde solide tendue avec des ballons. D'un kilomètre et demi, l'ascenseur n'a réussi à couvrir que 460 mètres. En août-septembre 2012, l'entreprise a lancé un projet de collecte de fonds pour de nouvelles expériences avec un ascenseur sur le site Kickstarter. En fonction de la quantité collectée, il est prévu de soulever le robot sur 2 kilomètres ou plus.

Le groupe LiftPort a également annoncé qu'il était prêt à construire un ascenseur spatial expérimental sur la Lune, basé sur les technologies existantes. Le président de la société, Michael Lane, a déclaré que la construction d'un tel ascenseur pourrait prendre huit ans. L'attention portée au projet a obligé l'entreprise à se fixer un nouvel objectif - la préparation du projet et la collecte de fonds supplémentaires pour commencer l'étude de faisabilité du soi-disant "ascenseur lunaire". Selon Lane, la construction d'un tel ascenseur prendra un an et coûtera 3 millions de dollars. Les spécialistes de la NASA ont déjà prêté attention au projet LiftGroup. Michael Lane a travaillé avec l'agence spatiale américaine sur le projet Space Elevator.

Projets similaires

L'ascenseur spatial n'est pas le seul projet qui utilise des attaches pour soulever des satellites en orbite. Un de ces projets est Orbital Skyhook (crochet orbital). Skyhook utilise un câble pas très long, en comparaison avec l'ascenseur spatial, qui est en orbite terrestre basse et tourne rapidement autour de sa partie médiane. De ce fait, une extrémité du câble se déplace par rapport à la Terre à une vitesse relativement faible et il est possible d'y suspendre des charges d'avions hypersoniques. Dans le même temps, la conception Skyhook fonctionne comme un volant d'inertie géant - un accumulateur de couple et d'énergie cinétique. L'avantage du projet Skyhook est sa faisabilité avec les technologies existantes. L'inconvénient est que Skyhook consomme l'énergie de son mouvement pour lancer des satellites, et cette énergie devra être reconstituée d'une manière ou d'une autre.

Projet Stratosphere Network of Skyscrapers (réseau stratosphère de gratte-ciel). Le projet est un réseau d'ascenseurs orbitaux, réunis en hexagones, couvrant toute la planète. Lors du passage aux étapes suivantes de la construction, les supports sont supprimés et le cadre du réseau d'ascenseurs est utilisé pour y construire un règlement stratosphérique. Le projet prévoit plusieurs zones d'habitation.

Ascenseur spatial dans divers travaux

Le livre de Robert Heinlein, Friday, utilise un ascenseur spatial appelé "haricot magique".
Dans le film Petka in Space de 1972 sur l'URSS, le protagoniste invente un ascenseur spatial.
L'une des œuvres célèbres d'Arthur Clark, The Fountains of Paradise, est basée sur l'idée d'un ascenseur spatial. De plus, l'ascenseur spatial apparaît dans le dernier volet de sa célèbre tétralogie L'Odyssée de l'espace (3001 : La Dernière Odyssée).
Dans Star Trek: Voyager épisode 3.19 "Rise", un ascenseur spatial aide l'équipage à s'échapper d'une planète à l'atmosphère dangereuse.
Civilization IV a un ascenseur spatial. Là, il est l'un des derniers "Grands Miracles".
Le roman de science-fiction de Timothy Zahn, Spinneret (1985), mentionne une planète capable de produire de la superfibre. L'une des races intéressées par la planète souhaitait obtenir cette fibre spécifiquement pour la construction d'un ascenseur spatial.
Dans le roman de science-fiction Limit de Frank Schetzing, l'ascenseur spatial agit comme un lien majeur dans l'intrigue politique dans un avenir proche.
Dans la dilogie de Sergey Lukyanenko "Stars - cold toys", l'une des civilisations extraterrestres, en cours de commerce interstellaire, a livré des fils lourds à la Terre qui pourraient être utilisés pour construire un ascenseur spatial. Mais les civilisations extraterrestres ont insisté exclusivement pour les utiliser aux fins prévues - pour aider à l'accouchement.
Dans le roman de science-fiction de J. Scalzi "Doomed to Victory" (Eng. Scalzi, John. Old Man's War), les systèmes d'ascenseurs spatiaux sont activement utilisés sur Terre, de nombreuses colonies terrestres et certaines planètes d'autres races intelligentes hautement développées pour communiquer avec les amarres des navires interstellaires.
Dans le roman de science-fiction Tomorrow Comes Eternity d' Alexander Gromov , l'intrigue est construite autour du fait de l'existence d'un ascenseur spatial. Il existe deux appareils - une source et un récepteur, qui, au moyen d'un "faisceau d'énergie", sont capables de soulever la "cabine" de l'ascenseur en orbite.
Le roman fantastique d'Alastair Reynolds City of the Abyss fournit une description détaillée de la structure et du fonctionnement d'un ascenseur spatial, décrit le processus de sa destruction (à la suite d'une attaque terroriste).
Dans le roman de science-fiction de Terry Pratchett, The Strata, il y a une "Ligne" - une molécule artificielle extra-longue utilisée comme ascenseur spatial.
Dans le roman de science-fiction de Graham McNeill, The Mechanicum, les ascenseurs spatiaux sont présents sur Mars et sont appelés les tours Tsiolkovsky.
Mentionné dans la chanson du groupe Zvuki Mu "Ascenseur vers le ciel".
Au tout début de Sonic Colors, on peut voir Sonic et Tails prendre l'ascenseur spatial pour se rendre au parc Doctor Eggman.
Dans le livre d'Alexander Zorich "Sleepwalker 2" de la série Ethnogenesis, le personnage principal Matvey Gumilyov (après avoir planté une personnalité de substitution - Maxim Verkhovtsev, pilote personnel du camarade Alpha, chef des Star Fighters) voyage dans un ascenseur orbital.
Dans l'histoire "Snake" de l'écrivain de science-fiction Alexander Gromov, les personnages utilisent l'ascenseur spatial "sur le chemin" de la lune à la terre.
Dans la série de romans fantastiques Taf Voyages de George Martin , sur la planète S'atlem , un ascenseur orbital mène à un planétoïde conçu comme un port spatial.
Dans un jeu d'ordinateur

Beaucoup de gens connaissent l'histoire biblique sur la façon dont les gens ont entrepris de devenir comme Dieu et ont décidé d'ériger une tour aussi haute que le ciel. Le Seigneur, en colère, a fait en sorte que tous les gens commencent à parler des langues différentes, et la construction s'est arrêtée.

Vrai ou non, c'est difficile à dire, mais après des milliers d'années, l'humanité a de nouveau réfléchi à la possibilité de construire une supertour. Après tout, si vous parvenez à construire une structure de plusieurs dizaines de milliers de kilomètres de haut, vous pouvez réduire de près de mille fois le coût de la livraison de marchandises dans l'espace! L'espace cessera une fois pour toutes d'être quelque chose de lointain et d'inaccessible.

Cher espace

Pour la première fois, le concept d'un ascenseur spatial a été envisagé par le grand scientifique russe Konstantin Tsiolkovsky. Il a supposé que si vous construisez une tour de 40 000 kilomètres de haut, la force centrifuge de notre planète retiendra toute la structure, ne lui permettant pas de tomber.

A première vue, cette idée sent le manilovisme à mille lieues, mais raisonnons logiquement. Aujourd'hui, la majeure partie du poids des fusées est constituée de carburant, qui sert à vaincre la gravité terrestre. Bien sûr, cela affecte également le prix de lancement. Le coût de livraison d'un kilogramme de charge utile en orbite terrestre est d'environ 20 000 $.

Ainsi, lorsque des parents donnent de la confiture aux astronautes sur l'ISS, vous pouvez être sûr qu'il s'agit de la friandise la plus chère au monde. Même la reine d'Angleterre ne peut pas se le permettre !

Le lancement d'une navette a coûté à la NASA entre 500 et 700 millions de dollars. En raison de problèmes dans l'économie américaine, la direction de la NASA a été contrainte de fermer le programme de la navette spatiale et de sous-traiter la fonction de livraison de fret à l'ISS à des entreprises privées.

Les problèmes politiques s'ajoutent aux problèmes économiques. En raison de désaccords sur la question ukrainienne, les pays occidentaux ont imposé un certain nombre de sanctions et de restrictions contre la Russie. Malheureusement, ils ont également abordé la coopération en astronautique. La NASA a reçu l'ordre du gouvernement américain de geler tous les projets communs, à l'exception de l'ISS. En réponse, le vice-Premier ministre Dmitri Rogozine a déclaré que la Russie n'était pas intéressée à participer au projet ISS après 2020 et avait l'intention de passer à d'autres buts et objectifs, tels que l'établissement d'une base scientifique permanente sur la Lune et un vol habité vers Mars.

Très probablement, la Russie le fera avec la Chine, l'Inde et peut-être le Brésil. Il convient de noter que la Russie allait déjà achever les travaux sur le projet et que les sanctions occidentales n'ont fait qu'accélérer ce processus.

Malgré ces plans grandioses, tout peut rester sur papier si un moyen plus efficace et moins cher de livrer des marchandises au-delà de l'atmosphère terrestre n'est pas développé. Au total, plus de 100 milliards de dollars ont été dépensés pour la construction de la même ISS ! Combien de "verts" seront nécessaires pour créer une station sur la lune, c'est même effrayant à imaginer.

Un ascenseur spatial pourrait être la solution parfaite au problème. Une fois que l'ascenseur sera opérationnel, les frais d'expédition pourraient chuter à deux dollars le kilo. Mais vous devez d'abord réfléchir à fond sur la façon de le construire.

Marge de sécurité

En 1959, l'ingénieur de Leningrad Yury Nikolaevich Artsutanov a développé la première version de travail de l'ascenseur spatial. Puisqu'il est impossible de construire un ascenseur de bas en haut en raison de la gravité de notre planète, il a suggéré de faire le contraire - construire de haut en bas. Pour ce faire, il a fallu lancer un satellite spécial sur une orbite géostationnaire (environ 36 000 kilomètres), où il devait prendre position au-dessus d'un certain point sur l'équateur terrestre. Commencez ensuite à assembler les câbles sur le satellite et abaissez-les progressivement vers la surface de la planète. Le satellite lui-même jouait également le rôle de contrepoids, maintenant constamment les câbles tendus.

Le grand public a pu se familiariser avec cette idée en détail lorsque, en 1960, Komsomolskaya Pravda a publié une interview avec Artsutanov. L'interview a également été publiée par les médias occidentaux, après quoi le monde entier était déjà soumis à la "fièvre des ascenseurs". Les écrivains de science-fiction étaient particulièrement zélés, dessinant des images arc-en-ciel du futur, dont un attribut indispensable était un ascenseur spatial.

Tous les experts étudiant la possibilité de créer un ascenseur s'accordent à dire que le principal obstacle à la mise en œuvre de ce plan est le manque d'un matériau suffisamment résistant pour les câbles. Selon les calculs, ce matériau hypothétique devrait résister à une tension de 120 gigapascals, c'est-à-dire plus de 100 000 kilogrammes par mètre carré !

La résistance de l'acier est d'environ 2 gigapascals, pour des options particulièrement fortes - un maximum de 5 gigapascals, pour la fibre de quartz - un peu plus de 20. C'est tout simplement monstrueusement petit. La question séculaire se pose : que faire ? Développer les nanotechnologies. Le candidat le plus prometteur pour un câble d'ascenseur pourrait être les nanotubes de carbone. Selon les calculs, leur force devrait être bien supérieure au minimum de 120 gigapascals.

Jusqu'à présent, l'échantillon le plus solide a été capable de résister à 52 gigapascals de stress, mais dans la plupart des autres cas, il s'est déchiré entre 30 et 50 gigapascals. Au cours de longues recherches et expérimentations, des spécialistes de l'Université de Californie du Sud sont parvenus à un résultat inouï : leur tube a pu supporter une tension de 98,9 gigapascals !

Malheureusement, ce fut un succès isolé, et il y a un autre problème important avec les nanotubes de carbone. Nicolas Punyo, scientifique à l'Université polytechnique de Turin, est arrivé à une conclusion décevante. Il s'avère que même en raison du déplacement d'un atome dans la structure des tubes de carbone, la résistance d'une certaine zone peut fortement diminuer de 30%. Et tout cela malgré le fait que l'échantillon le plus long d'un nanotube obtenu jusqu'à présent ne mesure que deux centimètres. Et quand on tient compte du fait que la longueur du câble devrait être de près de 40 000 kilomètres, la tâche semble tout simplement impossible.

Ordures et tempêtes

Un autre problème très grave est associé aux débris spatiaux. Lorsque l'humanité s'est installée en orbite proche de la Terre, elle s'est lancée dans l'une de ses activités favorites - encombrer l'espace environnant avec les produits de son activité vitale. Au début, on ne s'en souciait pas vraiment. « Après tout, l'espace est infini ! - nous avons soutenu. - Jetez un bout de papier, et ça ira plus loin, surfez sur les étendues de l'Univers !

C'est là que nous avons cédé. Tous les débris et restes d'avions sont voués à jamais à tourner en rond autour de la Terre, capturés par son puissant champ gravitationnel. Vous n'avez pas besoin d'être un ingénieur pour deviner ce qui se passera si l'un de ces débris heurte un câble. Par conséquent, des milliers de chercheurs du monde entier se creusent la tête sur l'élimination de la décharge proche de la Terre.

De plus, la situation avec la base de l'ascenseur à la surface de la planète n'est pas tout à fait claire. Initialement, il était censé créer une base stationnaire à l'équateur pour assurer le synchronisme avec un satellite géostationnaire. Cependant, les effets néfastes des vents d'ouragan et d'autres catastrophes naturelles sur l'ascenseur ne peuvent être évités.

Puis l'idée est venue de fixer la base sur une plate-forme flottante, qui pourrait effectuer des manœuvres et "contourner" les tempêtes. Mais dans ce cas, les opérateurs en orbite et la plate-forme seront obligés d'effectuer tous les mouvements avec une précision chirurgicale et un synchronisme absolu, sinon toute la structure s'envolera en enfer.

Garde la tête haute!

Malgré toutes les difficultés et les obstacles qui se dressent sur notre chemin épineux vers les étoiles, il ne faut pas baisser le nez et jeter ce, sans doute, un projet unique en veilleuse. Un ascenseur spatial n'est pas un luxe, mais une chose vitale.

Sans elle, la colonisation de l'espace proche sera extrêmement laborieuse, coûteuse et pourra s'éterniser pendant de nombreuses années. Il y a, bien sûr, des propositions pour développer des technologies anti-gravité, mais c'est une perspective trop lointaine, et un ascenseur est nécessaire dans les 20 à 30 prochaines années.

L'élévateur est nécessaire non seulement pour soulever et abaisser des charges, mais aussi comme "méga-élingue". Avec lui, vous pouvez lancer des engins spatiaux dans l'espace interplanétaire sans dépenser d'énormes quantités de carburant aussi précieux, qui pourraient autrement être utilisés pour accélérer le vaisseau. L'idée d'utiliser un ascenseur pour nettoyer la Terre des déchets dangereux est particulièrement intéressante.

L'idée d'un ascenseur spatial a longtemps captivé l'esprit des écrivains de science-fiction et a fait l'objet d'études de faisabilité réelles par la NASA et d'autres agences. Il y a une opinion parmi les ingénieurs spatiaux que c'est une idée très attrayante. Mais les énormes complexités impliquées dans la construction d'un ascenseur spatial sont hors de portée avec les technologies et les matériaux d'aujourd'hui.

Cependant, deux chercheurs - un mathématicien et un ingénieur en mécanique de l'Université Johns Hopkins, située aux États-Unis, suggèrent que la création d'un ascenseur dans un avenir proche est tout à fait possible. Si ses créateurs utiliseront les connaissances issues de la biologie. Et s'ils peuvent créer des robots de réparation autonomes pour le projet.

« Nous proposons une conception pour une mégastructure qui ne permettra pas seulement à ses composants de tomber en panne. Mais il aura également un mécanisme d'auto-guérison pour remplacer les composants cassés », écrivent-ils.

"Cela permettra aux structures de fonctionner à des charges nettement plus élevées sans compromettre leur intégrité, ce qui fera des mégastructures construites à partir de matériaux existants une réalité."

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Les chercheurs de la NASA et LiftPort Inc. proposent de simplifier le lancement d'objets volumineux en orbite, en utilisant un système qu'ils ont appelé "l'ascenseur spatial".

C'est à propos de quoi

Voici comment le Dr Bradley Edwards explique le concept d'ascenseur spatial dans le rapport du NIAC :

« Un ascenseur spatial est un ruban dont une extrémité est fixée à la surface de la Terre et l'autre est en orbite géosynchronisée dans l'espace (à une altitude de 100 000 km). L'attraction gravitationnelle de l'extrémité inférieure du ruban est compensée par la force provoquée par l'accélération centripète de l'extrémité supérieure. Ainsi, la bande est constamment dans un état tendu. En faisant varier la longueur du ruban, différentes orbites peuvent être obtenues. La capsule spatiale contenant la charge utile se déplacera le long de la ceinture. Pour le démarrage initial de la capsule, un effort sera demandé, mais dès qu'elle s'approchera de la station d'extrémité, sa vitesse augmentera en raison de l'accélération centripète de l'ensemble du système. À la station finale, si nécessaire, la capsule est déconnectée de l'ascenseur et part dans l'espace. La vitesse de la capsule dans ce cas sera de 11 km/s. Cette vitesse sera suffisante pour commencer un voyage vers Mars et d'autres planètes. Ainsi, le coût de lancement de la capsule ne sera qu'au début de son voyage en orbite. La descente se fera dans l'ordre inverse - à la fin de la descente, la capsule sera accélérée par le champ gravitationnel terrestre. Il est possible d'utiliser un ascenseur spatial comme « plate-forme de lancement » pour des engins spatiaux lancés vers d'autres planètes, satellites et astéroïdes (Mars, Vénus, Lune), ce qui contribuera à réduire les coûts associés au lancement traditionnel de fusées chimiques. également possible de construire un ascenseur d'une capacité de levage allant jusqu'à 100 tonnes, ce qui permettra la construction de grandes colonies et de stations orbitales en orbite."

Riz. 1. Ascenseur spatial de LiftPort Inc.

Naturellement, après avoir pris connaissance de ce projet, un certain nombre de questions douteuses se posent. Lift Port inc. fournit une liste des questions les plus courantes et ses réponses.

Comment allez-vous maintenir le moment cinétique constant?

Pour la plupart, nous comptons sur la Terre pour le faire. Mais nous avons prévu des "ancres" lourdes aux deux extrémités de l'ascenseur afin d'augmenter l'inertie du système et ainsi le maintenir en équilibre.

Que se passe-t-il si la bande casse ?

Pour commencer, le ruban conçu sera deux fois plus rigide que nécessaire. Les conditions météorologiques à l'emplacement choisi pour l'emplacement de l'ascenseur spatial excluront la possibilité d'ouragans et de foudre. Très probablement, la station d'ascenseur sera située dans l'océan. Mais encore, que se passe-t-il si la bande se casse ? La majeure partie de la bande s'envolera dans l'espace et une partie brûlera à cause de la vitesse élevée du vol dans l'atmosphère. Le bas du ruban tombera dans l'océan. La bande et ses résidus non brûlés dans l'atmosphère ne vont-ils pas polluer l'océan ? C'est peu probable, puisque le poids d'un kilomètre de bande est de 7,5 kg. En tombant d'une hauteur, la bande ne développera pas plus de vitesse qu'un journal ouvert qui tombe. Un observateur extérieur ne verra probablement qu'une bande lumineuse à travers le ciel (à partir d'une bande brûlée) et c'est tout. Bien sûr, des morceaux de ruban adhésif seront suspendus dans les airs pendant longtemps. Le plus grand danger est représenté par les marchandises transportées qui ont perdu le contact avec l'ascenseur. Les charges utiles qui ont atteint des orbites resteront en orbite. Les charges qui viennent de commencer à bouger tomberont. Certaines des cargaisons qui atteignent des vitesses de 11 km/s s'envoleront dans l'espace extra-atmosphérique.

L'ascenseur sera-t-il affecté par des conditions météorologiques défavorables ?

Le vent à haute altitude sera-t-il un problème ? La modélisation mathématique a montré que le ruban proposé dans la conception de l'ascenseur se rompra à une vitesse de 72 m/s, c'est-à-dire avec un vent de 5 points ou un ouragan. L'emplacement proposé de l'ascenseur (sur une plate-forme dans l'océan) ne sera pas dans la zone des vents forts et des ouragans.

Riz. 2. Type de stations de base (terrestres et spatiales)

La bande produira-t-elle un courant électrique en raison de la différence de potentiel ? Une bande de 100 000 km de long constituera-t-elle une menace électrique ?

Il y a plusieurs aspects à ce problème. Le courant électrique le long du ruban de l'ascenseur spatial ne peut circuler qu'en raison : 1) des propriétés électriques de l'atmosphère terrestre ; 2) pomper le plasma spatial à travers l'ascenseur ; 3) traversée constante des champs magnétiques terrestres par l'ascenseur.

1) L'atmosphère terrestre contient des régions de charges différentes, qui sont constamment en mouvement. Ils peuvent donner une différence de potentiel, mais seulement à de courtes distances. Lorsqu'il y a un orage et que le mouvement des charges affecte de longues distances, il est possible que la foudre endommage le ruban de l'ascenseur, mais comme mentionné ci-dessus, les concepteurs essaieront de choisir l'emplacement de la station de base de manière à exclure la possibilité d'un orage. La station de base sera située sur le navire, donc l'ascenseur aura une "mobilité" et pourra, si nécessaire, se déplacer, en évitant la tempête.

2) Les charges associées au plasma spatial peuvent être collectées à la station supérieure de l'ascenseur. Mais le courant provoqué par eux est si faible qu'il ne peut être comparé au courant obtenu en se connectant aux extrémités opposées de la bande d'une batterie ordinaire. Un petit nombre de charges vous permet d'ignorer ce danger.

3) Lorsqu'un conducteur traverse des champs magnétiques, un courant électrique y est produit. Dans notre cas, la bande est stationnaire par rapport au champ magnétique terrestre et le courant électrique produit dans la bande sera très faible, ce danger peut donc également être négligé. Dans les tours de télévision modernes, le courant électrique produit par les champs magnétiques terrestres est pratiquement absent.

Est-ce que divers objets interféreront avec la bande ?

Les débris spatiaux et les satellites seront-ils un problème ? Les objets spatiaux situés en orbite terrestre basse (LEO) seront un sérieux problème. Afin d'empêcher l'ascenseur d'entrer en collision avec divers objets, un système actif d'évitement d'obstacles sera fourni. En moyenne, vous devrez éviter divers objets une fois toutes les 14 heures. Pour construire un système de déviation, il est nécessaire de développer un système de traçage d'objets qui fonctionne avec une précision de 1 centimètre. Le développement d'un tel système fait partie du programme de recherche de LiftPort.

Il existe plusieurs concepts pour construire un ascenseur spatial. Dans certains cas, il est proposé de fixer l'extrémité libre du ruban à l'astéroïde. Cela résout le problème du contrepoids et de l'extraction des minéraux de l'astéroïde. Certains projets proposent de tendre un câble d'une épaisseur de 10 à 30 mètres de diamètre. Comme le disent les experts de LiftPort, c'est tout simplement impossible à mettre en œuvre.

Riz. 3. L'un des projets d'ascenseur spatial

Et ici la nanotechnologie

Certes, sans le développement rapide de la nanotechnologie et la découverte des nanotubes, le concept d'un ascenseur spatial n'aurait pas dépassé la science-fiction. Je dois dire que l'idée d'un ascenseur spatial a plus de cent ans. Pour la première fois, Konstantin Tsiolkovsky a parlé d'un ascenseur de ce genre en 1895. Le fondateur de l'astronautique moderne a proposé de construire une tour de plusieurs milliers de kilomètres de haut, qui devait être fixée sur un firmament en orbite proche de la Terre. Le matériau le plus durable à cette époque était l'acier, mais pour la construction de la "tour", il était trop lourd.

Les nanotubes de carbone à paroi unique, inventés en 1991, sont suffisamment solides pour former la base d'un tapis d'ascenseur. Ils sont 100 fois plus résistants que l'acier. Théoriquement, ils sont 3 à 5 fois plus résistants qu'il n'en faut pour construire un ascenseur.

Riz. 4. Diagramme de la résistance des nanotubes par rapport à l'acier à haute résistance

Certes, les nanotubes les plus longs qui aient été fabriqués ne mesurent que quelques centimètres. Et ce n'est même pas un kilomètre, sans parler de 100 000 kilomètres.

Mais il n'est absolument pas nécessaire de fabriquer tout le ruban de 100 000 km de long avec des nanotubes entiers. Des fractions séparées constituées de nanotubes jusqu'à 2 centimètres de long auront la même résistance à la traction que les longues. Certes, les chercheurs de LiftPort essaient de trouver des moyens de combiner des fractions en bandes plus longues sans perdre de force. Selon eux, le ruban sera une structure polymère avec des inclusions de nanotubes. Pour une ceinture d'ascenseur spatial, le diamantoïde serait un matériau polyvalent. Il sera plus durable, mais, encore une fois, il n'existe aucun moyen efficace d'obtenir et de produire en masse des matériaux diamantoïdes.

L'entreprise est plutôt optimiste, car elle a récemment pris conscience des nouvelles technologies dans la production de nanotubes. Ainsi, des scientifiques de l'Université de Cambridge ont mis au point un moyen de former du fil à partir de fibres longues, constituées de nanotubes. Alan Windle et ses collègues de Cambridge ont utilisé des nanotubes fraîchement préparés pour fabriquer du fil.

Le matériau de départ - les nanotubes - est traité avec de l'éthanol, qui sert ensuite de source de carbone, puis un catalyseur (ferrocène) et un autre réactif, le thiophène, sont ajoutés. Le mélange est chargé dans un four chaud, où de l'hydrogène est constamment fourni. Le produit est obtenu sous forme de fibres enchevêtrées, d'aspect similaire à la barbe à papa. Ces fibres sont ensuite enroulées sur des tiges rotatives, ce qui donne des fibres torsadées.

Les scientifiques admettent que seul un prototype d'une nouvelle technologie a été créé. Et la résistance de la fibre résultante n'est pas encore impressionnante - elle ne diffère pas beaucoup de la résistance des fibres traditionnelles. Cependant, diverses façons d'augmenter la résistance sont déjà visibles, par exemple en orientant les tubes de carbone dans une direction. Si la résistance peut être augmentée d'un facteur 10, cette valeur se rapprochera de la résistance des fibres de carbone et la production de la fibre elle-même peut s'avérer moins chère en raison de l'utilisation de composants moins chers. Il n'est pas encore clair s'il est possible de créer une telle corde par cette méthode, qui en termes de résistance à la traction sera comparable à la résistance des nanotubes eux-mêmes. Mais si cela peut être fait, alors LiftPort aura une chance de réduire le temps de construction de l'ascenseur.

Riz. 5. Prototype modèle de la capsule d'ascenseur

En 2000, le Dr Brad Edwards a publié un rapport indiquant que les recherches préliminaires pour construire un ascenseur spatial étaient terminées. De plus, Michel Lane a fondé la société HighLift Systems à Seattle, à laquelle la NASA a alloué des fonds pour le développement et la construction d'un ascenseur spatial. Comme le prévoit LiftPort Inc., l'ascenseur spatial sera construit, testé et mis en service dans 15 ans. Au cours des six premières années, l'entreprise attirera des investissements, de la sixième à la dixième année, développera la conception de l'ascenseur et enfin, dans les années restantes, la construction proprement dite aura lieu.

Retrouvez ici une vidéo au format Real Player, présentant un des concepts de l'ascenseur spatial (5 Mo) : http://wid.ap.org/…/elevator.rm

parce que les personnes qui ont écrit sur cet ascenseur (je veux dire LiftPort Inc., les auteurs de la publication originale, de la traduction ou de la compilation - je ne sais plus à qui appartient la "contribution" ici) n'ont pas essayé d'estimer l'efficacité de cet ascenseur sur papier, essayez d'appliquer les formules connues, prenez quelques intégrales simples (ou construisez des graphiques). En général, au moins pour moi (pas pour les nano-mannequins), traduisez le texte en chiffres, Après tout, il est plus facile de faire des erreurs dans les déclarations que dans les calculs ... Je suppose que quelque part il peut y avoir un modèle d'ascenseur normal, mais certainement pas ce qui est proposé dans cet article. Certaines des déclarations contenues dans cette note n'ont tout simplement pas passé un examen élémentaire. Il y aura du temps, je pourrai écrire les points douteux de l'article dans des formules et des graphiques. C'est juste que maintenant dans un voyage d'affaires, sans clavier russe, il est difficile de taper du texte (la moitié est déjà là). Et le texte suffira, car. le format pour les "nuls" restera, mais le texte est complet, pour la possibilité de vérification, peut-être que je me trompe quelque part. Je posterai le texte écrit avec l'analyse de "l'ascenseur" de cette note quelque part sous la forme d'un fichier Word.

Ils vont le construire, mais quand ?.. vivrons-nous pour voir cet événement ? Et au fait, le modèle d'ascenseur d'un tuyau avec un contrepoids ne m'inspire pas confiance. J'ai même peur d'imaginer ce qui se passera lorsque le haut du tube entrera en collision avec un autre objet (astéroïde). Des supports supplémentaires sont nécessaires, selon le type de supports pour tours hautes ou tours (3-4 pièces).

Pour le démarrage initial de la capsule, un effort sera demandé, mais dès qu'elle s'approchera de la station d'extrémité, sa vitesse augmentera en raison de l'accélération centripète de l'ensemble du système.

Une sorte de phrase populiste. Vrai en principe, mais la force centrifuge ne dépasse la gravité qu'au-dessus de l'orbite géostationnaire. Et la sortie à cette hauteur nécessitera plus de 80% de l'énergie nécessaire pour la sortie à un point infiniment éloigné. Et les auteurs n'indiquent pas où ils ont placé la force de Coriolis. Mais il est déjà clair que les minéraux seront extraits des astéroïdes, un fait très "lourd" pour l'ascenseur.