le tir spectaculaire a été pris depuis le Hangar AF de la Base aérienne de Cap Canaveral, avec un vaisseau de récupération de propulseur de fusée solide au premier plan. Pour toute notre histoire sur Terre, la seule façon d’atteindre l’espace est d’utiliser des carburants à base de produits chimiques.
NASA
Tant que les êtres humains ont regardé le ciel nocturne, nous avons rêvé de visiter d’autres mondes et de vraiment voir ce qui se trouve dans l’Univers. Alors que nos fusées à base de produits chimiques nous ont conduits vers une myriade de planètes, de lunes et d’autres corps du Système solaire, le vaisseau spatial le plus éloigné jamais lancé par l’humanité – Voyager 1 — n’est qu’à 22,3 milliards de kilomètres (13,9 milliards de miles) de la Terre: à peine 0,056% de la distance du système stellaire connu le plus proche. Avec la technologie actuelle, il faudrait près de 100 000 ans pour se rendre dans un autre système stellaire.
Mais il n’est pas nécessaire de se limiter à faire les choses comme nous les faisons en ce moment. Avec la bonne technologie, nous pourrions considérablement améliorer l’efficacité d’obtenir une masse de charge utile importante, peut-être même une charge qui transportait des humains à bord, à des distances sans précédent à travers l’Univers. En particulier, il existe quatre technologies qui ont le potentiel de nous emmener vers les étoiles sur des échelles de temps beaucoup plus courtes. Voici comment.
test en 1967. Cette fusée est propulsée par conversion Masse/Énergie, et est sous-tendue par la fameuse équation E= mc^2. Bien que ce concept n’ait jamais abouti à une fusée réussie, il pourrait s’agir de l’avenir du voyage spatial interstellaire.
Moteur de fusée nucléaire expérimental ECF (Experimental Engine Cold Flow), NASA, 1967
1.) L’option nucléaire. À ce stade de l’histoire de l’humanité, chaque fusée que nous avons lancée dans l’espace a un point commun: elle a été propulsée par un carburant à base de produits chimiques. Oui, le carburant de fusée est un mélange spécial de carburants chimiques conçus pour maximiser la poussée, mais la partie « carburant chimique” est très importante: elle stipule que les réactions qui l’alimentent reposent sur le réarrangement des liaisons entre différents atomes pour fournir de l’énergie.
Ceci est fondamentalement limitatif! Pour un atome, l’écrasante majorité de sa masse se trouve dans le noyau de l’atome: 99,95%. Lorsque vous vous engagez dans une réaction chimique, les électrons en orbite autour des atomes se réarrangent, libérant généralement environ 0,0001% de la masse totale des atomes impliqués sous forme d’énergie, via la célèbre équation d’Einstein: E = mc2. Cela signifie que pour chaque kilogramme de carburant 1 avec lequel vous chargez votre fusée, vous n’obtiendrez que l’équivalent d’énergie de quelque part dans le stade de 1 milligramme de masse de la réaction.
Les installations sont la première étape pour augmenter l’énergie des faisceaux laser lorsqu’ils se dirigent vers la chambre cible. Le NIF a récemment réalisé un tir de 500 térawatts – 1 000 fois plus de puissance que ce que les États-Unis utilisent à tout moment. La fusion nucléaire est des milliers de fois plus efficace que toute réaction chimique.
Damien Jemison /LLNL
Mais si vous avez utilisé un combustible nucléaire, cette histoire change radicalement. Au lieu de compter sur la modification de la configuration des électrons et de la liaison des atomes, vous pourriez libérer des quantités d’énergie relativement énormes en modifiant la manière dont les noyaux atomiques eux-mêmes sont liés les uns aux autres. Lorsque vous séparez un atome d’uranium en le bombardant d’un neutron, il émet une énorme quantité d’énergie par rapport à toute réaction chimique: 1 kilogramme de combustible U-235 peut libérer l’équivalent énergétique de 911 milligrammes de masse, un facteur d’environ 1000 fois plus efficace que les combustibles à base chimique.
Si nous devions maîtriser la fusion nucléaire à la place, comme avec un système de fusion à confinement inertiel capable de fusionner l’hydrogène en hélium – la même réaction en chaîne que celle qui se produit au Soleil —, nous pourrions devenir encore plus efficaces. La fusion de 1 kilogramme d’hydrogène en hélium transformerait 7,5 grammes de masse en énergie pure, ce qui en ferait près de 10 000 fois plus efficace que les carburants à base chimique.
La clé est que nous pourrions obtenir les mêmes accélérations pour une fusée pendant des périodes de temps beaucoup plus longues: des centaines, voire des milliers de fois plus longtemps, ce qui nous permet d’atteindre des vitesses des centaines ou des milliers de fois supérieures à ce que les fusées conventionnelles atteignent aujourd’hui. Cela pourrait réduire le temps de voyage interstellaire à quelques siècles ou peut-être même à des décennies. C’est une avenue prometteuse qui pourrait être réalisable, en fonction de l’évolution de la technologie, avant l’an 2100.
un réseau laser frappe et accélère un vaisseau spatial de faible masse à relativement grande surface. Cela a le potentiel d’accélérer les objets non vivants à des vitesses approchant la vitesse de la lumière, rendant possible un voyage interstellaire en une seule vie humaine.
©2016 Groupe de cosmologie expérimentale de l’UCSB
2.) Un réseau laser spatial. C’était l’idée principale derrière le concept « Breakthrough Starshot” qui a gagné en notoriété il y a quelques années, et cela reste un concept passionnant. Alors que les engins spatiaux conventionnels reposent sur l’apport de leur propre carburant à bord et l’utilisent pour s’auto-accélérer, l’idée clé en jeu ici est qu’un grand réseau laser de haute puissance fournirait la poussée nécessaire à un engin spatial externe. En d’autres termes, la source de la poussée serait séparée de l’engin spatial lui-même.
C’est un concept fascinant et révolutionnaire à bien des égards. La technologie laser est en train de devenir non seulement plus puissante, mais aussi plus collimatée, ce qui signifie que si nous pouvons concevoir un matériau semblable à une voile qui pourrait refléter un pourcentage suffisamment élevé de cette lumière laser, nous pourrions utiliser ce souffle laser pour accélérer un vaisseau spatial à des vitesses énormes loin de la source de notre réseau. Un « starchip » de ~ 1 gramme de masse pourrait atteindre ~ 20% de la vitesse de la lumière, ce qui lui permettrait d’arriver à Proxima Centauri, notre étoile la plus proche, en seulement 22 ans.
vaisseau spatial, a le potentiel d’accélérer un vaisseau spatial à environ 20% de la vitesse de la lumière et d’atteindre une autre étoile au cours d’une vie humaine. Il est possible qu’avec assez de puissance, nous puissions même envoyer un vaisseau spatial transportant un équipage pour parcourir les distances interstellaires.
Breakthrough Starshot
Bien sûr, nous devrions construire un réseau laser énorme: environ 100 kilomètres carrés de lasers, et nous devrions le faire dans l’espace, mais c’est un problème de coût, pas de science ou de technologie. Mais il y a des problèmes technologiques qui doivent être surmontés pour que cela fonctionne, notamment:
- une voile non prise en charge commencera à tourner, et nécessite une sorte de mécanisme de stabilisation (non développé),
- le fait qu’il n’y a aucun moyen de décélérer une fois que vous êtes arrivé à destination, car il n’y a pas de carburant à bord,
- et même si vous pouviez l’escalader pour transporter des humains, les accélérations seraient beaucoup trop importantes – nécessitant un grand changement de vitesse sur une courte période — pour qu’un humain puisse survivre.
Cette technologie pourrait peut-être nous emmener un jour vers les étoiles, mais un plan réussi pour emmener les humains jusqu’à ~ 20% de la vitesse de la lumière n’est pas encore sorti.
de l’énergie pure est une réaction complètement réversible (à droite), la matière/antimatière s’annihilant en énergie pure. Nous savons comment créer et détruire l’antimatière, en utilisant la matière avec elle pour récupérer de l’énergie pure sous une forme utilisable, comme les photons.
Dmitri Pogosyan / Université de l’Alberta
3.) Carburant antimatière. Si nous voulons apporter du carburant avec nous, autant en faire le carburant le plus efficace possible: les annihilations matière-antimatière. Plutôt que des combustibles à base chimique ou même nucléaire, où seule une partie de la masse embarquée est convertie en énergie, une annihilation matière-antimatière convertirait 100% de la masse de matière et d’antimatière en énergie. C’est le summum de l’efficacité du carburant: la perspective de convertir tout cela en énergie qui pourrait être utilisée pour la poussée.
La difficulté ne vient que dans la pratique, et en particulier, sur trois fronts:
- la création d’une antimatière stable et neutre,
- la capacité de l’isoler de la matière normale et de la contrôler précisément,
- et de la produire en quantités suffisamment importantes pour qu’elle puisse être utile pour le voyage interstellaire.
De manière assez excitante, les deux premiers défis sont déjà surmontés.
les particules d’antimatière chargées sont rassemblées et peuvent former des ions positifs, des atomes neutres ou des ions négatifs, selon le nombre de positrons qui se lient à un antiproton. Si nous parvenons à capturer et à stocker de l’antimatière, cela représenterait une source de carburant efficace à 100%, mais de nombreuses tonnes d’antimatière, par opposition aux minuscules fractions de gramme que nous avons créées, seraient nécessaires pour un voyage interstellaire.
E. Siegel
Au CERN, siège du Grand collisionneur de hadrons, se trouve un énorme complexe appelé » l’usine d’antimatière ”, où au moins six équipes distinctes étudient les différentes propriétés de l’antimatière. Ils prennent des antiprotons et les ralentissent, forçant les positrons à se lier avec eux: créant des anti-atomes, ou de l’antimatière neutre.
Ils confinent ces anti-atomes dans un récipient avec des champs électriques et magnétiques alternés, qui les fixent efficacement en place, loin des parois du récipient qui sont faites de matière. À ce stade, mi-2020, ils ont réussi à isoler et à maintenir stables plusieurs anti-atomes pendant près d’une heure en même temps. À un moment donné dans les prochaines années, ils seront suffisamment bons pour pouvoir mesurer, pour la première fois, si l’antimatière tombe ou descend dans un champ gravitationnel.
Ce n’est pas nécessairement une technologie à court terme, mais cela pourrait devenir notre moyen de voyage interstellaire le plus rapide de tous: une fusée à antimatière.
carburant, mais si un moteur de matière noire a été créé, un nouveau carburant est toujours à trouver simplement en voyageant à travers la galaxie. Parce que la matière noire n’interagit pas avec la matière normale (la plupart du temps) mais la traverse, vous n’auriez aucune difficulté à la collecter dans un volume spécifique de l’espace; elle serait toujours là lorsque vous vous déplaceriez dans la galaxie.
NASA/MSFC
4.) Un vaisseau spatial alimenté par la matière noire. Celui-ci, certes, repose sur une hypothèse sur la particule responsable de la matière noire: qu’elle se comporte comme un boson, ce qui en fait sa propre antiparticule. En théorie, la matière noire qui est sa propre antiparticule aura une chance faible mais non nulle de s’annihiler avec toute autre particule de matière noire avec laquelle elle entre en collision, libérant de l’énergie que nous pourrions potentiellement exploiter dans le processus.
Il y a des preuves potentielles à cela, car non seulement la Voie Lactée, mais aussi d’autres galaxies, présentent un excès inexpliqué de rayons gamma provenant de leurs centres galactiques, où la densité de matière noire devrait être la plus élevée. Il est toujours possible qu’il y ait une explication astrophysique banale à cela — comme les pulsars — mais il est également possible que la matière noire s’annihile avec elle-même au centre des galaxies, évoquant une possibilité incroyable: un vaisseau spatial alimenté par la matière noire.
énorme halo diffus de matière noire, indiquant qu’il doit y avoir de la matière noire qui traverse le système solaire. Bien que nous n’ayons pas encore détecté directement la matière noire, sa présence abondante dans toute notre galaxie et au-delà pourrait fournir une recette parfaite pour le carburant de fusée parfait imaginable.
Robert Caldwell &Marc Kamionkowski Nature 458, 587-589 (2009)
L’avantage de ceci est que la matière noire est littéralement partout dans la galaxie, ce qui signifie que nous n’aurions pas besoin de prendre du carburant avec nous pour voyager partout où nous sommes allés. Au lieu de cela, un « réacteur” de matière noire pourrait simplement:
- prenez tout ce qui est arrivé à la matière noire pour y passer,
- facilitez son annihilation ou laissez-la s’annihiler naturellement,
- et redirigez l’échappement pour obtenir la poussée dans la direction souhaitée,
et nous pourrions contrôler la taille et l’ampleur du réacteur pour obtenir les résultats souhaités.
Sans la nécessité de transporter du carburant à bord, bon nombre des problèmes liés aux voyages dans l’espace entraînés par la propulsion deviendraient non problématiques. Au lieu de cela, nous serions en mesure de réaliser le rêve ultime du voyage: une accélération constante illimitée. Du point de vue du vaisseau spatial lui-même, cela ouvrirait l’une des possibilités les plus imaginatives de toutes, la capacité d’atteindre n’importe quel endroit de l’Univers en une seule vie humaine.
destination si elle accélère à une vitesse constante de la gravité de surface de la Terre. Notez que, avec suffisamment de temps à une accélération de 1g, vous pouvez atteindre n’importe quel endroit de l’Univers en une seule vie humaine.
P. Fraundorf sur Wikipedia
Si nous nous limitons à la technologie actuelle des fusées, il faudra des dizaines de milliers d’années — au minimum — pour terminer un voyage de la Terre au système solaire le plus proche au-delà du nôtre. Mais d’énormes progrès dans les technologies de propulsion sont à portée de main et pourraient réduire ce voyage en une seule vie humaine. Si nous parvenons à maîtriser l’utilisation du combustible nucléaire, des réseaux de lasers spatiaux, de l’antimatière ou même de la matière noire, nous pourrions réaliser notre rêve de devenir une civilisation spatiale sans invoquer des technologies de rupture de la physique telles que le warp drive.
Il existe de multiples possibilités de transformer ce qui a déjà été démontré comme scientifiquement valide en une technologie de propulsion de prochaine génération réalisable et viable. D’ici la fin du siècle, il est absolument possible qu’un vaisseau spatial qui n’a pas encore été conçu dépasse les missions New Horizons, Pioneer et Voyager en tant qu’objets les plus éloignés de la Terre. La science est déjà là. C’est à nous de regarder au-delà des limites de nos technologies actuelles et de concrétiser ce rêve.
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