Cette voile spatiale à grande vitesse pourrait nous emmener dans les systèmes stellaires voisins

À seulement environ 4 années-lumière de notre système solaire se trouve Alpha Centauri, un autre quartier spatial animé. Il est ancré par Trois étoiles avec le même travail que notre soleil, détient des planètes analogues à nos huit orbes célèbres et peut même avoir un jumeau terrestre qui traîne dans la zone habitable. Presque comme une réalité alternative, le système stellaire est une région tentante pour les explorateurs de l’espace.

Il n’y a qu’un seul problème flagrant. Avec notre technologie actuelle, les engins spatiaux envoyés vers Alpha Centauri n’arriveraient que vers l’an 82022. C’est pourquoi, en 2016, le regretté astrophysicien Stephen Hawking et l’investisseur Yuri Milner ont lancé Breakthrough Starshot – une initiative visant à envoyer des sondes spatiales de la taille d’une micropuce sur à Alpha Centauri à 20% de la vitesse de la lumière, réduisant le temps de trajet énorme à seulement 20 ans.

Leur plan est centré sur une voile lumineuse qui exploite la puissance des photons, c’est-à-dire des particules de lumière, émises par un laser terrestre, au lieu du vent comme une voile traditionnelle. Bien que cela cadre parfaitement avec la technologie de science-fiction de Star Trek, l’idée a gagné tellement de popularité que des chercheurs du monde entier ont commencé à étudier comment concrétiser l’engin, dans l’espoir de produire un hyperdrive qui explose autour de l’univers à des vitesses vertigineuses.

Originaire de l’Université de Pennsylvanie, l’une de ces équipes s’attaque à un gros morceau du puzzle. Dans une paire d’articles publiés ce mois-ci dans la revue Nano Letters, les chercheurs ont suggéré un moyen de s’assurer que ces engins spatiaux innovants ne se déchirent pas des impulsions laser intenses pendant le voyage interstellaire de deux décennies. Fondamentalement, les chercheurs proposent que la voile doit « gonfler » dans le vide de l’espace comme les voiles de bateau standard ondulent au milieu des vents de la Terre.

« Certaines des figures de la voile lumineuse au début gonflaient, d’autres non, mais cela n’a pas été bien étudié », a déclaré l’auteur de l’étude Igor Bargatin, professeur agrégé au département de génie mécanique et de mécanique appliquée à l’Université de Pennsylvanie. « Ce que nous avons fait, c’est montrer que vous avez vraiment besoin d’être gonflé.

« Nous avons réalisé que les gens n’avaient pas vraiment examiné les mécanismes du problème, et en particulier la possibilité de déchirures », a ajouté Bargatin. « Nous voulons nous assurer que si et quand cette idée est réalisée, les gens prêtent attention aux choses qui pourraient se produire pendant l’accélération.

« Nous ne voulons pas que ces voiles échouent. »

Paramètres du vaisseau interstellaire

Imaginez un bateau s’aventurant en mer avec une voile attachée. La voile se soulèvera à chaque rafale de vent et propulsera le navire vers l’avant. Cette propulsion se produit parce que le vent qui frappe la voile rebondit, créant une pression.

Les voiles lumineuses ne sont pas si différentes.

« Lorsque les photons frappent notre voile lumineuse, ils sont réfléchis et créent également une pression », a déclaré Bargatin. « Le mécanisme exact est un peu différent car nous parlons de molécules d’air légères par rapport à de vraies molécules d’air. Mais elles créent néanmoins une pression dans les deux cas. » En fait, ces dispositifs ont déjà fait leurs preuves dans une certaine mesure.

En 2010, l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale a lancé une mission de voile lumineuse baptisée Ikaros et l’a considéré comme un succès. En 2019, l’expérimental LightSail 2 a emboîté le pas. Financé par une campagne Kickstarter lancée par Bill Nye et Neil DeGrasse Tyson, il a déplacé un petit satellite dans l’espace en utilisant la puissance des photons purs.

Mais Ikaros et LightSail 2 utilisaient tous deux la lumière émanant du soleil, contrairement à la vision des faisceaux laser de Breakthrough Starshot.

Bien que la lumière du soleil réduise le risque de larmes, elle est trop faible pour l’effort de Starshot. De plus, dit Bargatin, les impulsions lumineuses Starshot doivent se produire dans un délai relativement court car une fois que la voile lumineuse s’éloigne trop de la Terre, les scientifiques perdent leur capacité à l’accélérer efficacement.

En bref, pour atteindre un cinquième de la vitesse de la lumière – afin qu’elle puisse accéder à Alpha du Centaure dans les 20 ans souhaités – dans une fenêtre stricte, les voiles lumineuses auraient besoin d’impulsions lumineuses extrêmement fortes possibles uniquement avec des lasers.

« Les pressions de conception sur nos voiles lumineuses ne sont pas énormes », a déclaré Bargatin. « C’est à peu près la même chose que d’avoir un sou sur la main. » En termes scientifiques, la pression s’élève à environ 10 pascals, dit Bargatin, mais considérez comment nous menons nos vies sans nous soucier de la pression légère. du tout.

Dix Pascals de force lumineuse nécessitent une quantité importante de puissance laser, donc contrairement à la danse d’Ikaros avec des rayons de soleil vaporeux, les voiles lumineuses conférées par des impulsions laser ultra dures peuvent être gravement endommagées.

Comment construire une voile lumineuse durable

Selon les chercheurs, de fortes impulsions laser pourraient créer une pression suffisamment puissante pour courber et déchirer la feuille comme une voile de bateau tendue peut se déchirer si elle est frappée par une rafale de vent géante.

Ils croient que les voiles lumineuses doivent avoir la capacité de « gonfler » et de former une forme incurvée un peu comme un parachute. La longueur de la voile et le rayon de courbure, explique Bargatin, devraient être d’environ 3 mètres. Dans leurs nouveaux articles, les auteurs décrivent les mesures géométriques qui assurent un gonflement optimal.

Cependant, même une voile lumineuse protégée des déchirures rencontrera d’autres obstacles. Pour surmonter ces problèmes, le paramètre majeur à prendre en compte est le matériau de la voile. Les feuilles doivent être solides pour la durabilité, légères pour minimiser la force du laser, réfléchir efficacement la lumière pour une propulsion idéale et évacuer la chaleur générée par les impulsions laser.

Si ce dernier élément n’est pas pris en charge, dit Bargatin, la voile pourrait littéralement fondre dans l’espace.

« Vous pouvez trouver une combinaison de matériaux. Les épaisseurs de ces matériaux et les géométries courbes permettraient à la voile de survivre aux pressions pour lesquelles nous concevons actuellement », a déclaré Bargatin, notant que son équipe étudie principalement un matériau appelé molybdène. disulfure.

Dans le grand schéma des choses, cependant, la construction de l’énorme réseau laser qui fera avancer les voiles lumineuses sera un gros obstacle. Les chercheurs travaillant dans le domaine des communications spatiales, dit Bargatin, cherchent également à récupérer les informations de la sonde à puce attachée à la voile lumineuse.

Si le mécanisme de Breakthrough Starshot fonctionne un jour, ce sera un véritable témoignage de l’éclat de l’humanité dans le domaine de la science. Dans une annonce des immenses objectifs de l’organisation il y a six ans, Hawking a déclaré :

« Je crois que ce qui nous rend uniques, c’est de transcender nos limites. La gravité nous cloue au sol, mais je viens de m’envoler pour l’Amérique. J’ai perdu ma voix, mais je peux encore parler, grâce à mon synthétiseur vocal. Comment transcendons-nous ces limites ?

« Avec nos esprits et nos machines. »