De minuscules vaisseaux spatiaux propulsés par laser pourraient voyager jusqu’aux confins du système solaire et au-delà
Des vaisseaux spatiaux miniatures de la taille de téléphones portables pourraient voler à travers le système solaire en utilisant des voiles propulsées par des lasers, ce qui permettrait au minuscule vaisseau spatial d’atteindre des vitesses beaucoup plus rapides – et, potentiellement, des destinations beaucoup plus éloignées – que les fusées à propulsion conventionnelle, selon une nouvelle étude.
Les engins spatiaux actuels mettent généralement des années à effectuer des voyages dans le système solaire; par exemple, la NASA Nouveaux horizons la sonde a mis près de 10 ans pour atteindre Pluton.
En théorie, les engins spatiaux utilisant des fusées conventionnelles auraient besoin de milliers d’années pour effectuer un voyage interstellaire. Par exemple, Alpha Centauri, le système stellaire le plus proche de la Terre, se trouve à environ 4,37 années-lumière, soit plus de 25,6 billions de miles (41,2 billions de kilomètres), soit plus de 276 000 fois la distance de la Terre au soleil. Il faudrait la NASA Voyageur 1 vaisseau spatial, lancé en 1977 et atteint l’espace interstellaire en 2012, environ 75 000 ans pour atteindre Alpha du Centaure même si la sonde allait dans la bonne direction, ce qui n’est pas le cas.
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Le problème avec tous les propulseurs de fusée est que le propulseur qu’ils transportent avec eux a une masse. Les longs voyages nécessitent beaucoup de propulseur, ce qui rend les engins spatiaux lourds, ce qui, à son tour, nécessite plus de propulseur, les rendant plus lourds, et ainsi de suite.
Des recherches antérieures ont suggéré que « voile légère » pourrait être l’un des seuls moyens techniquement réalisables d’amener un vaisseau spatial vers une autre étoile au cours d’une vie humaine. Bien que la lumière n’exerce pas beaucoup de pression, les scientifiques suggèrent depuis longtemps que la faible pression qu’elle applique pourrait avoir un effet majeur. En effet, de nombreux des expériences ont montré que « voiles solaires » peut compter sur la lumière du soleil pour la propulsion si le vaisseau spatial est suffisamment léger et a une voile suffisamment grande.
En effet, les 100 millions de dollars Starshot révolutionnaire L’initiative, annoncée en 2016, prévoit de lancer des essaims de vaisseaux spatiaux de la taille d’une micropuce vers Alpha Centauri, chacun d’eux arborant des voiles extraordinairement fines et incroyablement réfléchissantes propulsées par les lasers les plus puissants jamais construits. Le plan les fait voler jusqu’à 20% de la vitesse de la lumière, atteignant Alpha Centauri dans environ 20 ans.
Un défi majeur auquel Starshot est confronté est la construction des lasers nécessaires à la propulsion. Il nécessite un réseau laser au sol de l’ordre de 0,4 mile carré (1 kilomètre carré) et aussi puissant que 100 gigawatts, ce qui serait de loin le laser le plus puissant jamais fabriqué sur la terre.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs suggèrent qu’un réseau laser au sol plus humble – un réseau de 3,3 à 33 pieds (1 à 10 mètres) de large et de 100 kilowatts à 10 mégawatts de puissance – pourrait encore s’avérer utile en envoyant de minuscules sondes à travers le système solaire, les propulsant à des vitesses beaucoup plus rapides que les moteurs de fusée.
« De tels lasers peuvent déjà être construits aujourd’hui avec un investissement relativement faible », a déclaré à Space.com l’auteur principal de l’étude, Artur Davoyan, spécialiste des matériaux à l’Université de Californie à Los Angeles. « Nous n’avons pas besoin d’attendre qu’un laser de 100 gigawatts soit disponible. »
Aller interstellaire sur une échelle de temps raisonnable impose plus de contraintes que voyager dans le système solaire. Par exemple, Starshot vise à envoyer des sondes vers une autre étoile au cours d’une vie humaine, de sorte que ses engins spatiaux sont conçus pour être extraordinairement légers – chacun d’environ 0,035 once (1 gramme) environ – pour voler aussi vite que possible compte tenu de la quantité d’énergie qu’ils reçoivent. .
Les voiles laser pour les voyages interplanétaires, en revanche, n’ont pas besoin d’être aussi légères. Les scientifiques envisagent des engins spatiaux pour de tels voyages allant jusqu’à 3,5 onces (100 g) environ – une masse « comparable à celle d’un téléphone portable typique », a déclaré Davoyan.
Tandis que Starshot fait face à des contraintes de masse qui rendent difficile l’installation de tous les systèmes et instruments spatiaux nécessaires sur une seule plate-forme, une sonde de 3,5 onces « peut facilement être équipée de tous les composants nécessaires, y compris des spectromètres, des accéléromètres, des détecteurs de particules, des caméras, etc. ingrédients pour mener une mission scientifique appropriée dans des régions lointaines de l’espace », a déclaré Davoyan.
De plus, comme un réseau laser peut lancer plus d’une sonde, il pourrait potentiellement envoyer une flotte de minuscules sondes, chacune avec un équipement différent, vers une destination. « Par exemple, l’une peut être une sonde magnétomètre, une autre équipée d’une caméra, la troisième servant de détecteur de particules », précise Davoyan. « Nous prévoyons que de nombreuses petites sondes pourront être envoyées vers des destinations vraiment différentes pour faire des percées scientifiques. »
De plus, parce que les voyages interplanétaires ne nécessitent pas le type de lasers puissants nécessaires avec Starshot, ils ne nécessitent pas non plus de grandes voiles avec le type de propriétés matérielles extraordinaires nécessaires pour résister aux nombreuses exigences du vol interstellaire, comme ne pas se vaporiser sous la lumière de un laser aussi puissant. Les chercheurs ont suggéré que des voiles de nitrure de silicium ou de nitrure de bore d’environ 4 pouces (10 centimètres) de large devraient suffire pour les vols dans le système solaire.
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« Notre travail est une première étape vers des missions interplanétaires et spatiales rapides et peu coûteuses », a déclaré Davoyan. « Nous voyons qu’un nouveau modèle d’exploration spatiale peut émerger, où les utilisateurs individuels, qui n’ont généralement pas accès à l’espace, pourraient désormais dépenser seulement quelques milliers de dollars et lancer une véritable mission dans l’espace lointain. »
Des réseaux laser de l’ordre de 100 kilowatts sont déjà en cours de développement par l’armée américaine ; en 2020, par exemple, le navire de combat littoral de la marine américaine USS Little Rock a reçu un laser de 150 kilowatts. De plus, le coût des lasers haute puissance baisse rapidement chaque année, en raison du besoin de télécommunications optiques, avec des lasers de 1 kilowatt disponibles pour moins de 10 000 dollars, a noté Davoyan.
« Des estimations approximatives montrent que [a] Un projecteur laser de 1 mégawatt pourrait être construit avec moins de 100 millions de dollars, ce qui est bien moins que la plupart des missions de la NASA », a déclaré Davoyan. « Il est important de noter qu’une fois construit, le projecteur peut être utilisé et réutilisé pour lancer plusieurs sondes dans différentes directions. Essentiellement, le projecteur laser est un investissement initial et, une fois construit, sert de rampe de lancement. Le coût de la mission consiste alors à produire des sondes qui, avec l’utilisation de la fabrication de masse, peuvent être de l’ordre de 100 $, à lancer des sondes en orbite pour moins de 100 $ par sonde puis à opérer une mission pendant sa durée de vie utile. Par conséquent, dans l’ensemble, l’approche par laser offre un coût très faible pour l’exploration spatiale. »
Les scientifiques ont estimé qu’une voile laser de 0,035 once avec une voile de 4 pouces entraînée à des vitesses d’environ 112 000 mph (180 000 km/h) pourrait atteindre Mars en 20 jours, contre 200 jours pour la NASA Rover de persévérance; Jupiter en 120 jours, contre cinq ans pour la NASA Junon sonde; Pluton en moins de trois ans, contre 10 ans pour le vaisseau New Horizons de la NASA ; et 100 fois le distance de la Terre au soleil en 10 ans, contre près de 30 ans pour le vaisseau spatial Voyager 1 de la NASA.
« Le fait que nous puissions changer la façon dont l’espace est déjà exploré aujourd’hui avec un investissement minimal est vraiment énergisant », a déclaré Davoyan. « Une telle approche permet à presque tout le monde de développer et de lancer sa propre mission – quelque chose qui n’était pas possible auparavant. Ce serait vraiment excitant de voir un étudiant de premier cycle envoyer sa propre sonde scientifique à, disons, Jupiter. »
Les scientifiques espèrent maintenant tester et prototyper leurs idées. « Nous travaillons également en partenariat avec l’industrie et le gouvernement pour faire avancer certaines des conceptions et des idées que nous avons », a déclaré Davoyan. « Nous pensons que nous pouvons faire une réelle différence dans l’avenir de l’exploration spatiale. »
Les scientifiques ont détaillé leurs découvertes en ligne le 31 janvier dans le journal Nano-lettres.
Publié à l’origine sur Space.com.