Que Faudrait-il pour construire une Tour aussi haute que l’Espace ?
Le désir humain de créer des structures toujours plus grandes et plus impressionnantes est insatiable. Les pyramides de l’Egypte ancienne, la Grande Muraille de Chine et le Burj Khalifa à Dubaï — aujourd’hui le plus haut édifice du monde avec plus de 828 mètres (2 722 pieds) — sont une conséquence de la poussée de l’ingénierie à ses limites. Mais les immenses bâtiments ne sont pas seulement des monuments de l’ambition humaine: ils pourraient également détenir la clé du progrès de l’humanité à l’ère de l’espace.
Des propositions circulent actuellement pour une tour autonome ou un « ascenseur spatial » qui pourrait atteindre l’orbite géosynchrone autour de la terre. Une telle tour serait une alternative au transport par fusée et réduirait considérablement la quantité d’énergie nécessaire pour entrer dans l’espace. Au-delà, nous pouvons imaginer des mégastructures spatiales de plusieurs kilomètres, alimentées par l’énergie solaire, englobant peut-être des planètes entières ou même des étoiles.
Ces dernières années, les ingénieurs ont pu construire sur des échelles plus grandes grâce à la résistance et à la fiabilité de substances telles que de nouveaux alliages d’acier. Mais alors que nous entrons dans le domaine des mégastructures — celles de 1 000 km ou plus de dimension — le maintien de la sécurité et de l’intégrité structurelle est devenu un défi diabolique. En effet, plus quelque chose devient gros, plus il subit de stress en raison de son poids et de sa taille (le « stress » est une mesure de la tension mécanique, comme lorsque vous séparez quelque chose de l’une ou l’autre des extrémités ou que vous le serrez ensemble. La « force » est la tension maximale qu’une structure peut supporter avant qu’elle ne se brise).
Il s’avère que la conception biologique, dotée d’environ 3,8 milliards d’années d’expérience, pourrait aider à résoudre ce casse-tête. Avant l’ère de la science des matériaux, les ingénieurs devaient se tourner vers la nature pour trouver des astuces créatives pour les aider à surmonter les restrictions de leurs matériaux. Les civilisations classiques, par exemple, gonflaient leurs machines de guerre avec des tendons tordus fabriqués à partir de peaux d’animaux, qui pouvaient s’étendre et se rétracter pour lancer des projectiles sur l’ennemi. Mais des substances telles que l’acier et le béton sont arrivées et sont devenues successivement plus dures et plus légères.
Cela a conduit à une sous-discipline appelée « ingénierie de la fiabilité. »Les concepteurs ont commencé à fabriquer des structures beaucoup plus solides que la charge maximale qu’ils devaient supporter — ce qui signifiait que la contrainte sur les matériaux restait dans une plage où la probabilité de rupture était très faible. Cependant, une fois que les structures se transforment en mégastructures, les calculs montrent que cette approche anti-risque limite leur taille. Les mégastructures poussent nécessairement les matériaux à leurs limites et éliminent le luxe de résister à des niveaux de stress confortables.
Cependant, ni les os ni les tendons de notre corps ne jouissent de ce luxe. En fait, ils sont souvent comprimés et étirés bien au-delà du point auquel on peut s’attendre à ce que leurs substances sous-jacentes se cassent. Pourtant, ces composants du corps humain sont encore beaucoup plus « fiables » que leur résistance matérielle pure ne le suggère. Par exemple, le simple fait de courir peut pousser le tendon d’Achille à plus de 75% de sa résistance à la traction ultime, tandis que les haltérophiles peuvent subir des contraintes de plus de 90% de la force de leurs épines lombaires, lorsqu’ils pèsent des centaines de kilogrammes.
Comment la biologie gère-t-elle ces charges? La réponse est que nos corps réparent et recyclent constamment leurs matériaux. Dans les tendons, les fibres de collagène sont remplacées de telle sorte que, même si certaines sont endommagées, le tendon global est sûr. Cette auto-réparation constante est efficace et peu coûteuse, et peut changer en fonction de la charge. En effet, toutes les structures et cellules de notre corps sont en rotation constante; on estime que près de 98% des atomes du corps humain sont remplacés chaque année.
Nous avons récemment appliqué ce paradigme d’auto-réparation pour voir s’il est possible de construire un ascenseur spatial fiable avec les matériaux disponibles. Une conception commune proposée comprend un câble de 91 000 km de long (appelé attache), s’étendant à partir de l’équateur et équilibré par un contrepoids dans l’espace. L’attache serait constituée de faisceaux de fibres parallèles, similaires aux fibres de collagène dans les tendons ou les ostéons dans les os, mais fabriquées à partir de Kevlar, un matériau présent dans les gilets pare-balles et résistants aux couteaux.
À l’aide de capteurs et de logiciels artificiellement intelligents, il serait possible de modéliser mathématiquement l’ensemble de l’attache de manière à prédire quand, où et comment les fibres se briseraient. Et quand ils le faisaient, des grimpeurs robotisés rapides patrouillant de haut en bas de l’attache les remplaçaient, ajustant le taux d’entretien et de réparation au besoin — imitant la sensibilité des processus biologiques. Malgré un fonctionnement à des contraintes très élevées par rapport à ce que les matériaux peuvent supporter, nous avons montré que cette structure serait fiable et ne demanderait pas des taux de remplacement exorbitants. De plus, la résistance maximale que le matériau aurait besoin de posséder pour obtenir une structure fiable a été amputée d’un pourcentage impressionnant de 44.
Cette approche bio-inspirée de l’ingénierie peut également aider les structures ici-bas sur Terre, telles que les ponts et les gratte-ciel. En « défiant » nos matériaux et en équipant les systèmes de mécanismes de réparation et de remplacement autonomes, nous pouvons dépasser les limites actuelles tout en améliorant la fiabilité.
Pour avoir une idée des avantages d’un fonctionnement plus proche de la limite de résistance à la traction, regardez un pont suspendu, impliquant des longueurs de câbles d’acier qui plongent au milieu. Le principal obstacle à l’augmentation de la portée du pont est que, lorsque nous utilisons des cordes plus longues, elles deviennent plus lourdes et se cassent sous leur propre poids. Si la corde n’est pas étirée à plus de 50 % de sa résistance totale, l’envergure maximale est d’environ 4 km; mais lorsqu’il est étiré jusqu’à 90% de sa force, l’envergure augmente considérablement à plus de 7,5 km. Cependant, pour assurer la sécurité du câble, il faudra remplacer les fibres d’acier dans un processus affiné, tout comme dans les systèmes biologiques.
Les mégastructures ne sont plus de la science-fiction. Jamais dissuadés par l’effondrement de la Tour de Babel, comme le raconte l’Ancien Testament, les humains ont continué à construire plus grand, plus haut et plus vite, alimentés par d’énormes progrès de la science et de la technologie. Pourtant, selon les normes de l’ingénierie de fiabilité classique, nous sommes encore loin. Au lieu de cela, nous avons besoin d’un nouveau paradigme, qui se concentre non seulement sur la résistance des matériaux, mais aussi sur les capacités de reconstruction inhérentes aux systèmes. Nous ne devrions pas chercher plus loin que la richesse de la vie biologique qui nous entoure et nous assurer qu’il y a beaucoup à apprendre du balayage de l’histoire de l’évolution.
Cet article a été initialement publié sur Aeon et a été republié sous Creative Commons.
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