Tirer de minuscules balles à grande vitesse sur un vaisseau spatial pourrait accélérer le voyage vers les étoiles : ScienceAlert

Aujourd’hui, plusieurs agences spatiales étudient des idées de propulsion de pointe qui permettront des transits rapides vers d’autres corps du système solaire.

Ceux-ci incluent la NASA Propulsion nucléaire-thermique ou nucléaire-électrique (NTP/NEP) qui pourraient permettre aux temps de transit de Mars dans 100 jours (ou alors même 45) et un vaisseau spatial chinois à propulsion nucléaire qui pourrait explorer Neptune et sa plus grande lune, Triton.

Bien que ces idées et d’autres puissent permettre l’exploration interplanétaire, aller au-delà du système solaire présente des défis majeurs.

Comme nous l’avons exploré dans un article précédent, il faudrait des engins spatiaux utilisant la propulsion conventionnelle n’importe où de 19 000 à 81 000 ans pour atteindre même l’étoile la plus proche, Proxima Centauri (4,25 années-lumière de la Terre). À cette fin, les ingénieurs ont étudié des propositions de vaisseaux spatiaux sans équipage qui s’appuient sur des faisceaux d’énergie dirigée (lasers) pour accélérer les voiles de lumière à une fraction de la vitesse de la lumière.

Une nouvelle idée proposée par des chercheurs de l’UCLA envisage une torsion sur l’idée poutre-voile: une poutre à pastilles concept qui pourrait accélérer un vaisseau spatial d’une tonne jusqu’aux confins du système solaire en moins de 20 ans.

Le concept, intitulé “Propulsion à faisceau de pastilles pour une exploration spatiale révolutionnaire“, a été proposé par Artur Davoyanprofesseur adjoint de génie mécanique et aérospatial à l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA).

La proposition était l’une des quatorze propositions choisies par le Concepts avancés innovants de la NASA (NIAC) dans le cadre de leurs sélections 2023, qui ont accordé un total de 175 000 $ US en subventions pour développer davantage les technologies. La proposition de Davoyan s’appuie sur des travaux récents sur la propulsion à énergie dirigée (DEP) et la technologie des voiles légères pour réaliser un Lentille gravitationnelle solaire.

Comme le professeur Davoyan l’a dit à Universe Today par e-mail, le problème avec les engins spatiaux est qu’ils sont toujours redevables au Équation de fusée:

“Tous les engins spatiaux et fusées actuels volent en dilatant le carburant. Plus le carburant est jeté rapidement, plus la fusée est efficace. Cependant, il y a une quantité limitée de carburant que nous pouvons transporter à bord. En conséquence, la vitesse d’un vaisseau spatial peut être accéléré jusqu’à est limité. Cette limite fondamentale est dictée par l’équation de la fusée. Les limites de l’équation de la fusée se traduisent par une exploration spatiale relativement lente et coûteuse. Des missions telles que la lentille gravitationnelle solaire ne sont pas réalisables avec les engins spatiaux actuels.

La lentille gravitationnelle solaire (SGL) est une proposition révolutionnaire qui serait le télescope le plus puissant jamais conçu. Les exemples incluent le Lentille de gravité solairequi a été sélectionné en 2020 pour le développement de la phase III du NIAC.

Le concept repose sur un phénomène prédit par Théorie de la relativité générale d’Einstein connu comme Lentille gravitationnelleoù des objets massifs modifient la courbure de l’espace-temps, amplifiant la lumière des objets en arrière-plan. Cette technique permet aux astronomes d’étudier des objets éloignés avec une plus grande résolution et précision.

En positionnant un vaisseau spatial à l’héliopause (~ 500 UA du Soleil), les astronomes pourraient étudier les exoplanètes et les objets lointains avec la résolution d’un miroir primaire mesurant environ 100 km (62 miles) de diamètre. Le défi consiste à développer un système de propulsion qui pourrait amener le vaisseau spatial à cette distance en un temps raisonnable.

À ce jour, les seuls engins spatiaux à avoir atteint l’espace interstellaire ont été les sondes Voyager 1 et 2, qui ont été lancées en 1977 et se trouvent actuellement à environ 159 et 132 UA du Soleil (respectivement).

Lorsqu’elle a quitté le système solaire, la sonde Voyager 1 se déplaçait à une vitesse record d’environ 17 km/s (38 028 mph), soit 3,6 UA par an. Néanmoins, cette sonde a tout de même mis 35 ans pour atteindre la frontière entre le vent solaire du Soleil et le milieu interstellaire (l’héliopause).

À sa vitesse actuelle, il faudra plus de 40 000 ans à Voyager 1 pour survoler un autre système stellaire – AC+79 3888, une étoile obscure de la constellation de la Petite Ourse. Pour cette raison, les scientifiques étudient la propulsion à énergie dirigée (ED) pour accélérer les voiles légères, qui pourraient atteindre un autre système stellaire d’ici quelques décennies.

Comme l’a expliqué le professeur Davoyan, cette méthode offre certains avantages distincts, mais a également son lot d’inconvénients :

“La voile laser, contrairement aux engins spatiaux et aux fusées conventionnels, ne nécessite pas de carburant à bord pour accélérer. Ici, l’accélération provient d’un laser poussant l’engin spatial par la pression de rayonnement. En principe, des vitesses proches de la vitesse de la lumière peuvent être atteintes avec cette méthode. Cependant, les faisceaux laser divergent sur de longues distances, ce qui signifie qu’il n’y a qu’une plage de distance limitée sur laquelle un vaisseau spatial peut être accéléré.Cette limitation de la navigation laser conduit à un besoin d’avoir des puissances laser exorbitantes, des gigawatts, et dans certaines propositions, des térawatts , ou impose une contrainte sur la masse des engins spatiaux.”

Des exemples du concept de faisceau laser comprennent Projet Libelluleune étude de faisabilité par le Institut d’études interstellaires (i4is) pour une mission qui pourrait atteindre un système stellaire proche d’ici un siècle.

Ensuite, il y a Breakthrough Starshot, qui propose un réseau laser de 100 gigawatts (Gw) qui accélérerait le nanocraft à l’échelle du gramme (Starchip).

À une vitesse maximale de 161 millions de km (100 millions de miles) ou 20% de la vitesse de la lumière, Starshot pourra atteindre Alpha Centauri dans environ 20 ans. Inspirés par ces concepts, le professeur Davoyan et ses collègues proposent une nouvelle tournure à l’idée : un concept de faisceau de pastilles.

Ce concept de mission pourrait servir de mission précurseur interstellaire à transit rapide, comme Starshot et Dragonfly.

Mais pour leurs besoins, Davoyan et son équipe ont examiné un système à faisceau de pastilles qui propulserait une charge utile d’environ 900 kg (1 tonne US) à une distance de 500 UA en moins de 20 ans. Dit Davoyan :

“Dans notre cas, le faisceau poussant le vaisseau spatial est constitué de minuscules pastilles, d’où [we call it] le faisceau de pellets. Chaque pastille est accélérée à des vitesses très élevées par ablation laser, puis les pastilles portent leur élan pour pousser le vaisseau spatial.

Contrairement à un faisceau laser, les pastilles ne divergent pas aussi rapidement, ce qui nous permet d’accélérer un vaisseau spatial plus lourd. Les pastilles, étant beaucoup plus lourdes que les photons, transportent plus d’élan et peuvent transférer une force plus élevée à un vaisseau spatial.”

De plus, la petite taille et la faible masse des pastilles permettent de les propulser par des faisceaux laser de relativement faible puissance. Dans l’ensemble, Davoyan et ses collègues estiment qu’un vaisseau spatial d’une tonne pourrait être accéléré à des vitesses allant jusqu’à ~ 30 UA par an à l’aide d’un faisceau laser de 10 mégawatts (Mw).

Pour l’effort de phase I, ils démontreront la faisabilité du concept de faisceau de pastilles grâce à une modélisation détaillée des différents sous-systèmes et à des expériences de preuve de concept. Ils exploreront également l’utilité du système à faisceau de pastilles pour les missions interstellaires qui pourraient explorer les étoiles voisines de notre vivant.

“Le faisceau de pastilles vise à transformer la façon dont l’espace lointain est exploré en permettant des missions de transit rapide vers des destinations lointaines”, a déclaré Davoyan. “Avec le faisceau de pastilles, les planètes extérieures peuvent être atteintes en moins d’un an, 100 UA en environ trois ans et la lentille de gravité solaire à 500 UA en environ 15 ans. Surtout, contrairement à d’autres concepts, le faisceau de pastilles peut propulser des engins spatiaux lourds. (~1 tonne), ce qui augmente considérablement la portée des missions possibles.”

S’il était réalisé, un vaisseau spatial SGL permettrait aux astronomes de imagez directement les exoplanètes voisines (comme Proxima b) avec une résolution multi pixel et obtenir des spectres à partir de leurs atmosphères. Ces observations offriraient des preuves directes d’atmosphères, de biosignatures et peut-être même de technosignatures.

De cette façon, la même technologie qui permet aux astronomes d’imager directement les exoplanètes et de les étudier en détail permettrait également aux missions interstellaires de les explorer directement.

Cet article a été initialement publié par Univers aujourd’hui. Lis le article original.

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