Nanotubes de carbone et ascenseur spatial : le câble qui n'existe pas encore
Monter en orbite par un câble plutôt qu'en fusée : l'idée a plus d'un siècle. Les nanotubes de carbone, découverts en 1991, l'ont relancée. Pourquoi l'ascenseur spatial reste un rêve, et ce que les nanotubes font déjà.
Pour placer un satellite en orbite, on brûle aujourd'hui des centaines de tonnes de carburant en quelques minutes. Imaginons à la place un câble tendu entre l'équateur et l'espace, le long duquel des cabines grimperaient lentement, alimentées en électricité. C'est l'ascenseur spatial. L'idée est ancienne, séduisante, et se heurte à un obstacle simple : aucun matériau connu n'est assez solide pour la réaliser. Les nanotubes de carbone ont fait espérer qu'il pourrait exister.
D'une tour imaginaire à un câble tendu
À la fin du XIXe siècle, le pionnier russe de l'astronautique Constantin Tsiolkovski, impressionné dit-on par la tour Eiffel, imagine une tour si haute que son sommet tournerait avec la Terre à la vitesse d'un satellite. Une tour de cette taille s'écraserait sous son propre poids. En 1960, l'ingénieur soviétique Youri Artsoutanov retourne le problème : au lieu de construire de bas en haut, il propose de suspendre un câble depuis l'orbite géostationnaire. L'idée sera retrouvée indépendamment aux États-Unis dans les années 1960 et 1970, puis popularisée par la science-fiction.
Le principe repose sur l'orbite géostationnaire, à 35 786 km d'altitude, où un objet fait le tour de la Terre en exactement un jour et paraît immobile dans le ciel. Un câble partant de ce point vers le bas, et équilibré par un contrepoids au-delà, resterait tendu au-dessus du même endroit de l'équateur. Les études placent souvent l'extrémité du câble vers 100 000 km, un quart de la distance de la Lune.
Le problème de la longueur de rupture
Un câble suspendu doit porter son propre poids. Plus il est long, plus il est lourd, et il finit par rompre sous sa propre masse. Ce qui compte n'est donc pas seulement la résistance du matériau, mais le rapport entre sa résistance et sa densité. Une corde à piano en acier rompt vers 1,8 gigapascal, pour une densité proche de 7,8 ; le Kevlar atteint environ 3,6 GPa pour une densité de 1,4, et le Zylon environ 5,8 GPa. Même en effilant le câble, plus épais en haut qu'en bas, ces fibres ne suffisent pas : il faudrait un câble de taille démesurée. Selon la plupart des études, il faudrait un matériau au moins dix fois meilleur que les meilleures fibres actuelles, rapporté à sa masse.
Des tubes d'un atome d'épaisseur
En 1991, le microscopiste japonais Sumio Iijima, chez NEC, publie dans Nature des images de minuscules tubes de carbone emboîtés. Des structures semblables avaient été aperçues auparavant, dès 1952, mais c'est cet article qui lance un immense domaine de recherche. Un nanotube de carbone est une feuille de graphène enroulée sur elle-même en un cylindre de quelques nanomètres de diamètre.
Sur le papier, c'est le matériau rêvé. En 2000, des mesures sur des nanotubes multiparois ont donné une résistance de 63 GPa, et des parois individuelles approchent les 100 GPa, pour une densité d'environ 1,3 à 1,4. Le problème est l'échelle. Ces records concernent des tubes isolés de quelques micromètres. Les plus longs nanotubes jamais fabriqués mesurent environ un demi-mètre. Pour faire un câble, il faut assembler des milliards de tubes en fibres, et la cohésion entre eux est faible : les tubes glissent les uns sur les autres. Les fibres macroscopiques de nanotubes restent ainsi, pour l'instant, dans la gamme de quelques gigapascals, du même ordre que les meilleures fibres techniques. Un seul défaut atomique suffit en outre à affaiblir un tube, et sur 100 000 km, les défauts seraient innombrables.
S'y ajoutent d'autres défis : la foudre et les vents dans la basse atmosphère, l'oxygène atomique corrosif en orbite basse, les débris spatiaux qui croiseraient le câble, les oscillations d'une structure aussi longue. L'ascenseur spatial terrestre relève donc aujourd'hui de la spéculation. Sur la Lune, où la gravité est six fois plus faible, des câbles en fibres existantes seraient moins irréalistes.
Et sur Terre ?
Les nanotubes n'ont pas attendu l'ascenseur pour trouver des usages. L'un de leurs principaux débouchés est discret : de petites quantités ajoutées aux électrodes des batteries lithium-ion améliorent leur conductivité électrique. Ils renforcent des composites, des pièces de vélos ou d'articles de sport, entrent dans des capteurs et des revêtements antistatiques. Une forêt de nanotubes verticaux forme aussi l'un des matériaux les plus noirs qui soient, utilisé pour réduire la lumière parasite dans des instruments optiques.
Leurs cousins, les nanotubes de nitrure de bore, intéressent Anthropolaris pour une autre raison : intégrés aux structures, ils pourraient alléger le blindage des équipages contre le rayonnement cosmique (voir la marche J-CRW-06). Quant au câble vers l'orbite, il attend toujours son matériau. Le jour où l'on saura filer des nanotubes sans perdre leur résistance, bien d'autres industries en profiteront, bien avant l'ascenseur.