Un ascenseur spatial : une nanofibre peut soulever 160 éléphants
Une équipe de recherche de l’Université Tsinghua à Beijing a mis au point une fibre qui est si solide qu’elle pourrait même être utilisée pour construire un ascenseur menant à l’espace.
Une nanofibre ultra résistante
Selon eux, un centimètre cube de cette fibre – en nanotube de carbone – ne pourrait pas casser sous le poids de 160 éléphants, soit plus de 800 tonnes et ce petit morceau de câble ne pèserait que 1,6 gramme.
« Il s’agit d’une avancée décisive », a déclaré Wang Changqing, scientifique au centre de recherche sur les ascenseurs spatiaux de la Northwestern Polytechnical University à Xian, qui n’a pas participé à cette étude.
L’équipe chinoise a mis au point une nouvelle fibre « ultralongue » en nanotube de carbone qui, dit-elle, est plus solide que tout ce qui a été vu auparavant. Elle a breveté cette technologie et publié une partie de ses recherches dans la revue Nature Nanotechnology plus tôt cette année.
« Il est évident que la résistance à la traction des faisceaux de nanotubes de carbone est au moins 9 à 45 fois supérieure à celle des autres matériaux », a déclaré l’équipe dans le document.
Ils ont déclaré que ce matériel serait « très en demande dans de nombreux domaines haut de gamme, tels que les équipements sportifs, les blindages balistiques, l’aéronautique, l’astronautique et même les ascenseurs spatiaux ».
De la science fiction?
L’idée de construire un ascenseur capable de voyager de la Terre vers l’espace ressemble à de la science-fiction, mais elle existe depuis plus d’un siècle et les scientifiques ont conçu divers modèles au cours des dernières décennies.
L’une d’entre elles consiste à envoyer un grand satellite sur une orbite géostationnaire qui abaisserait un câble au sol, où il serait ancré, et enverrait un autre câble dans la direction opposée, attaché à un contrepoids.
La théorie est que l’ascenseur serait suspendu entre deux câbles – tendus par la gravité et la force centrifuge, et tournant avec la Terre, comme un poids sur un bout de ficelle tourné en rond.
Mais jusqu’à présent, l’idée des ascenseurs spatiaux est restée dans le domaine des modèles physiques et mathématiques, car il n’existait aucun matériau suffisamment solide pour fabriquer les câbles ultra-légers et ultra-robustes.
Selon la Nasa, ces câbles devraient avoir une résistance à la traction – pour résister à l’étirement – d’au moins 7 gigapascals. En fait, l’agence spatiale américaine a lancé un concours mondial en 2005 pour développer un tel matériel, avec un prix de 2 millions de dollars US. Personne n’a réclamé le prix.
L’équipe de Tsinghua, dirigée par Wei Fei, professeur au Département de génie chimique, a déclaré que sa dernière fibre de nanotubes de carbone avait une résistance à la traction de 80 gigapascals.
Les nanotubes de carbone sont des molécules cylindriques constituées d’atomes de carbone liés par des formes hexagonales d’un diamètre aussi petit que 1 nanomètre. Ils ont la plus haute résistance à la traction connue de tous les matériaux – théoriquement jusqu’à 300 gigapascals.
Mais pour des raisons pratiques, ces nanotubes de carbone doivent être liés sous forme de câble, un processus difficile qui peut affecter la résistance globale du produit final.
Selon Wang, chercheur dans le domaine des ascenseurs spatiaux, ce système de transport nécessiterait plus de 30 000 km de câbles et d’autres structures, telles qu’un rail et un bouclier, pour se protéger contre les débris spatiaux et autres risques spatiaux.
« Si le câble n’est pas assez solide, il ne serait même pas capable de supporter son propre poids. Jusqu’à présent, il n’y avait pas assez de matériel pour le faire », a déclaré Wang, directeur exécutif adjoint de l’Espace international russo-chinois Centre de recherche sur le système d’attache.
Les exigences relatives à la résistance des câbles varient en fonction de la conception de l’espace de levage. Selon M. Wang, la fibre de nanotubes de carbone semble être le candidat le plus prometteur pour le moment, mais davantage de calculs et de simulations sont nécessaires pour évaluer ses performances.
La longueur est un gros problème
« La longueur est un gros problème, mais ce n’est pas le seul problème », a-t-il ajouté.
Les scientifiques spatiaux chinois et russes, par exemple, travaillent ensemble pour trouver un moyen sûr et efficace de fabriquer un câble ultra fin et léger, puis de le mettre une orbite à haute altitude jusqu’au sol.
La rentrée dans l’atmosphère peut produire beaucoup de chaleur ce qui pourrait brûler le câble, tandis que le contrepoids devra peut-être être aussi grand qu’un astéroïde pour garder le câble bien droit.
Selon Wang, l’ampleur et la complexité d’un tel projet éclipseraient la Station spatiale internationale.
Mais des pays comme la Chine, les États-Unis, la Russie et le Japon continuent de s’intéresser à ces recherches. Ce que l’on appelle la technologie de fixation spatiale peut potentiellement être utilisé à des fins militaires, notamment pour capturer des « cibles non coopératives », notamment des satellites ennemis.
Le Japon a lancé deux satellites le mois dernier dans le cadre d’une expérience visant à étudier le mouvement des ascenseurs dans l’espace – la première fois que cela a été fait – impliquant un mini-ascenseur se déplaçant le long d’un câble d’un satellite à l’autre. Il n’a pas encore publié les résultats de cette expérience. La Chine a également effectué des tests de liaison spatiale, mais les détails ont été classés secrets.
Des voitures électriques au canons laser
M. Wei a déclaré que son équipe tentait de produire en grande quantité cette fibre de nanotubes de carbone en vue de son utilisation dans le domaine de la défense ou dans d’autres domaines. « Cela pourrait changer la donne dans de nombreux secteurs », a-t-il déclaré.
Wei a donné l’exemple des volants ultra-rapides dans une batterie mécanique – où le volant stocke de l’énergie dans une masse en rotation, soulevée par lévitation magnétique dans une chambre à vide. Plus le matériau est léger et résistant, plus il tourne rapidement.
En utilisant des volants à nanotubes de carbone, la batterie mécanique aurait une densité d’énergie 40 fois supérieure à celle d’une batterie au lithium, selon Wei. Cela signifierait qu’une voiture comme une Tesla Model S pourrait parcourir 16 000 km en une seule charge – la distance entre Londres et Sydney.
Mais cette technologie sera probablement utilisée à des fins militaires en premier lieu, a déclaré Wei. « De nombreux nouveaux systèmes d’armements, tels que les pistolets et les canons laser, nécessitent des systèmes d’alimentation et de stockage d’énergie hautement performant et notre technologie offre une solution qui rendrait tout cela possible », a-t-il déclaré.
Les chercheurs ont fabriqué le plus long nanotube de carbone au monde en 2013 – mesurant un demi-mètre – et en ont récemment développé un de 70 cm.
Song Liwei, qui étudie les batteries mécaniques à l’institut de technologie Harbin à Heilongjiang, a déclaré que si la fibre de nanotubes de carbone pouvait être produite en série et si elle augmentait considérablement la densité énergétique des batteries mécaniques, elle « tuerait les moteurs à combustible fossile ».
« Mais les volants d’inertie peuvent être aussi gros qu’un baril et il faudrait plusieurs kilomètres de fibre pour fabriquer une batterie », a-t-il déclaré. « Il reste encore un long chemin à parcourir. »
Source : NZ Herald