Ascenseur pour l’espace, le Japon se lance dans la course à l’innovation ouverte

Depuis les missions sur la lune d’Apollo dans les années 1960, seuls un peu plus de 500 astronautes ont atteint la hauteur sacrée de 100 kilomètres dans l’espace. Mais avec l’arrivée du tourisme de l’espace de Virgin Galactic cette année, beaucoup plus de gens, qui ne sont pas astronautes, pourront voir la Terre d’en haut.  Blue Origin, fondé par Jeff Bezos, le créateur d’Amazon, est un fabricant d’engins aérospatiaux qui propose également des services de vol dans l’espace. Il va cette année lancer la vente de billets au grand public.

Pour une coquette somme, vous pouvez vous payer une vue depuis l’espace, mais votre expérience de l’apesanteur ne durera que quelques minutes. Arrivera-t-on un jour à connaître l’apesanteur pendant de longues heures sans besoin d’entraînement ? Au Japon, des chercheurs sont en train de plancher sur un « ascenseur spatial » pour faire de ce rêve une réalité tout en minimisant le coût et l’impact environnemental, contrairement aux fusées qui consomment des quantités astronomiques de carburant.

Cet ascenseur spatial, appelé le « grimpeur », est un véhicule électrique qui se déplace le long d’un câble allant de la Terre jusqu’à un satellite en orbite géostationnaire, et qui utilise un autre câble externe pour compenser la force centrifuge. La longueur totale du câble est de 100 000 kilomètres.

Avant 1991, il n’existait pas de matériau suffisamment solide, en dehors de la science-fiction, pour construire le câble. Puis le Dr Sumio Iijima, physicien, a découvert le mécanisme des nanotubes de carbone, un matériau très léger et doté de la force théorique pour réaliser le câble. En 2012, la société Obayashi Corporation a annoncé son projet de construire un ascenseur spatial pour relier la Terre à l’espace d’ici 2050.

Test : concevoir un moteur raptor de précision

Pour motiver les jeunes chercheurs et promouvoir le concept de l’ascenseur spatial, un concours intitulé EUSPEC (European Space Elevator Challenge) a eu lieu en 2011, 2012, 2016 et 2018 à l’université technologique de Munich en Allemagne. Team Raptor, une équipe de l’université Nihon qui a participé aux quatre concours est composée de Kaishu Koike et Naoki Arakawa. Tous deux sont étudiants de quatrième année et membres du laboratoire Aoki, dirigé par Yoshio Aoki, professeur au département d’ingénierie mécanique de précision de Nihon, à la faculté des sciences et technologie.

L’équipe travaille sur les calculs de résistance, sur la durabilité et sur la sécurité de construction de structures mécaniques, et s’attache aussi à promouvoir de façon proactive la recherche sur les ascenseurs spatiaux. À l’occasion du challenge 2018, Team Raptor a décroché la victoire générale dans la catégorie supérieure et a reçu un prix dans les catégories Sécurité, Qualité de la construction et Innovation. Chaque équipe a dû mettre au point un grimpeur évalué pour sa vitesse, son efficience et sa précision.

Pour le construire, l’équipe a créé une maquette des pièces dans un logiciel de CAO puis les a assemblées, en les ajustant au fur et à mesure. « Nous avons créé un cadre autour du moteur d’entraînement, tout en réfléchissant à la méthode de transmission, puis nous avons fait une maquette de pignon et de couple conique que nous avons ensuite insérés, explique Kaishu Koike. Nous avons décidé de la forme en assemblant d’abord les grosses pièces puis en passant progressivement aux pièces plus fines. »

La clé pour maintenir la vitesse avec huit charges utiles maximums de 1,1 kg chacune était de faire en sorte que l’ascenseur lui-même soit aussi léger que possible, en faisant appel à l’usinage CNC 3 axes. « En adoptant une structure alvéolaire, le cadre principal a été évidé le plus possible, allégeant le poids d’environ 60 pour cent tout en maintenant une rigidité suffisante et une bonne esthétique, ajoute Kaishu Koile. »

Ce concours comportait quatre paramètres importants : le nombre de charges utiles, la vitesse, l’ascension précise vers une hauteur prédéterminée (ainsi que la redescente en toute sécurité), et une utilisation d’énergie aussi minime que possible. « Les fuselages étaient à moitié terminés, et il a été assez difficile de respecter toutes les contraintes, avoue Yoshio Aoki. »

« L’équipe a conçu le Raptor à une vitesse phénoménale, tout en menant des simulations en même temps, fait-il remarquer. » Le moteur-fusée a atteint la vitesse maximale de 110 kilomètres/heure, et même lorsque le poids maximum a été utilisé, il a maintenu sa vitesse et un mécanisme de freinage efficace. « Réaliser la tâche difficile de s’arrêter exactement à 100 mètres au moyen de la technologie de contrôle tenait de la gageure, reconnaît-il. »

Lorsque la Team Raptor a mené son essai de fonctionnement, le ratio vitesse-réduction n’était pas suffisant avec le premier modèle, et il n’aurait pas été possible de faire monter huit charges utiles. Juste avant le concours, l’équipe a donc procédé à des changements, en meulant le cadre et en recréant le couple conique. La maquette et la PAO ont été combinées sous Fusion 360 d’Autodesk et lorsque des changements de forme ont été apportés à la maquette, l’équipe a rapidement façonné une nouvelle pièce, ce qui a fait gagner du temps.

Une approche hybride

Le Conseil scientifique du Japon propose un « ascenseur spatial hybride », ce qui signifie qu’il développe en même temps un concept qui serait construit au sol et un autre à construire dans l’espace. Le département d’ingénierie mécanique de précision va se charger du développement de l’ascenseur au sol et va également contribuer à la recherche pour l’ascenseur dans l’espace.

Par ailleurs, un projet de développement commun entre l’université Shizuoka et Obayashi Corporation nommé STARS-Me (Space Tethered Autonomous Robotics Satellite-Mini elevator) consiste à faire se déplacer une cabine d’ascenseur le long d’un câble qui relie deux petits satellites cubiques. Le laboratoire Aoki s’occupe du mécanisme de déploiement du câble et de la conception de la cabine.

S’agissant d’un domaine entièrement nouveau, certains problèmes technologiques afférents à l’ascenseur spatial ont besoin d’être résolus avant le lancement qui pourrait avoir lieu dans un avenir proche.

« Nous ne disposons encore d’aucun recul pour aborder les questions juridiques et de sécurité en cas de menaces comme le terrorisme, risque Yoshio Aoki. Pour pouvoir avancer dans le projet, nous allons devoir résoudre ces aspects difficiles. Mais une fois ces questions résolues, et si d’autres entreprises nous soutiennent, je suis convaincu qu’un ascenseur opérationnel de transport de marchandises sera tout à fait possible dans les années 2030. »