L’orbite géostationnaire

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 Tsiolkovsyinvente 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’ascenseur spatial L’intérêt de l’ascenseur spatial • 1Kg en orbite GEO coûte 40.000 € • L’énergie potentielle de ceKilo 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 !

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

9. Défi n° 1 : le câble • 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/mm2, contre seulement 420 Kg/mm2 pour le meilleur acier. • Un CNT est 6 fois plus léger que de l’acier (1,3 contre 7,4 Kg/dm3).On devrait pouvoir faire un câble avec ces propriétés: Dimensions : 100.000 Km x 100 mm x 0,001 mm Section nette : 2mm2 Volume et Poids du câble : 2.000 M3, 2.600 Tonnes Charge utile : 20 Tonnes

10. Défi n° 2 : le lancement • 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.

11. Défi n° 3 : déployer le câble • 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 mm2 à un câble de 2 mm2 capable d’enlever des charges de 20 tonnes.

12. Défi n° 3 : déployer le câble • 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 mm2 à un câble de 2 mm2 capable d’enlever des charges de 20 tonnes.

13. Défi n° 4 : l’ énergie de propulsion • 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 M2 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!

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

15. Défi n° 5 : éviter les risques (2/5) 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.

16. Défi n° 5 : éviter les risques (3/5) 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 satelliteset autres fusées. Si on compte ceuxde 1 cm de taille, on en recenseplus de 100.000. Une manoeuvre de 1 Kmpar jour suffira à éviter tout objet connu > 1cm.

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. 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. Défi n° 5 : éviter les risques (5/5)

19. Propulsion par moteur électrique et chenilles • Cellules de captation d’énergie(20 à 50 m2) • Télécommunications • Charge utile • Appareillage de maintenance du câble Les cabines

20. Le concept en une image

21. Délais • Quand toutes ces techniques seront-elles au point ? • Le 27 Octobre 2031, tout au moins d’aprèsLiftPort 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. L’ascenseur spatial

22. Les finances (1/2) • 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!) Réduction -99%

23. Les finances (2/2) • 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.

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

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

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

27. Les usages de l’ascenseur spatial (4/4) 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…

28. La competition (1/2) www.spaceward.org organise chaque année un concours d’élévateurs prototypes et de câbles La dernière date du 15 octobre 2007 à Farmington, USA.Le prix non remporté en 2007 est remis en jeu: 2 Millions de$ ! Les inscriptions 2008 sont ouvertes !

29. La competition (2/2) Le concours 2008 est prévu avec un câble de 1 Km suspendu à un ballon au dessus de Meteor Crater en Arizona (Octobre 2008) Ci-dessus le site de 60 m de haut du concours 2007.

30. Le futur de l’exploration spatiale ? • 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 !

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

32. Résumé vidéo

34. www.benoitmichel.be Benoit MICHEL, Mars 2008