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En ce moment, les scientifiques ne possèdent pas un système de propulsion révolutionnaire. Nous devons encore compter sur les bonnes vieilles fusées, comme celles qui ont permis d’amener des astronautes sur la Lune, avec le programme Apollo de la NASA mené durant les années 1970. Mais certains scientifiques croient qu’une solution à ces fusées, serait de concevoir une énorme toile sur laquelle des lasers seraient projetés.

La propulsion laser est une forme de propulsion par faisceau où la source d’énergie est un système laser distant (généralement au sol) et séparé de la masse réactionnelle. Cette forme de propulsion diffère d’une fusée chimique classique où l’énergie et la masse réactionnelle proviennent des propergols solides ou liquides transportés à bord du véhicule. Plusieurs groupes et Agences planchent sur ce concept en ce moment.

Starshot : Un système laser

C’est le cas de Harry Atwater qui est le chef directeur de la division Atwater chez Caltech, lequel est une entreprise composée d’étudiants des cycles supérieurs, de chercheurs postdoctoraux et de chercheurs invités en physique appliquée, en science des matériaux, en génie chimique, en génie électrique et en chimie. Dans une série de questions-réponses, il nous explique les défis à relever pour concevoir un tel système.

Lorsque les sondes artificielles atteindront finalement d’autres étoiles, elles ne seront pas propulsées par des fusées. Au lieu de cela, ils peuvent être à cheval sur une mince voile qui est dynamitée par un faisceau laser géant. Harry Atwater, Professeur de physique appliquée et de science des matériaux, et chef du projet Breakthrough Starshot, qui vise à faire de ce concept une réalité. Dans un nouvel article publié le 7 mai dans Nature Materials, Atwater explore certains des défis majeurs auxquels ce projet sera confronté dans sa tentative de faire de l’humanité une espèce interstellaire.

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Qu’est-ce que le programme Breakthrough Starshot ?

C’est un projet multidisciplinaire de 100 millions de dollars qui a été annoncé en 2016, visant à concevoir un vaisseau spatial qui puisse être lancé sur des planètes entourant d’autres étoiles et les atteindre au cours de notre vie. L’idée est de développer des engins spatiaux capables de voyager à près de 20% de la vitesse de la lumière.

Pourquoi ne pas utiliser des fusées conventionnelles ?

Le problème avec la propulsion de fusée traditionnelle est que la vitesse finale de la fusée est limitée par la vitesse du carburant éjecté de la fusée. Pour les propergols chimiques, la limite supérieure de la vitesse finale est beaucoup trop faible. Le vaisseau spatial le plus rapide qui n’ait jamais été lancé prendrait des dizaines de milliers d’années, pour atteindre l’étoile la plus proche; Alpha Centauri C. Cela est clairement impossible pour toute mission interstellaire.

Pour surmonter cela, nous prévoyons d’utiliser la lumière comme carburant. En d’autres termes, nous profitons du principe de conservation de l’impulsion entre la lumière et les matériaux. Si j’ai un objet réfléchissant et que je fais briller la lumière, les photons réfléchissants donnent de l’élan à l’objet. Si l’objet est assez léger, cet élan peut agir comme une force propulsive, et alors la vitesse finale de cette sonde n’est limitée que par la vitesse de la lumière elle-même.

Quel est votre rôle dans le projet ?

Je suis un conseiller du programme Breakthrough Starshot. Le programme a trois grands défis techniques: le premier est de construire le moteur photonique oũ le laser permet de propulser la voile; le second est de concevoir la voile elle-même; et le troisième est de concevoir la charge utile, qui sera un minuscule vaisseau spatial capable de prendre des images et des données spectrales et de les retransmettre vers la terre. Mon rôle est d’aider ce programme à définir les voies de réalisation d’une Lightsail viable compatible avec les autres objectifs de l’ensemble du programme. Cela ne va pas être facile: nous devrons fabriquer un objet à grande échelle ultraléger stable et dynamique permettant la propulsion.

Quels autres défis y a-t-il ?

Les défis que nous abordons dans notre dernier article sont l’élaboration des exigences de conception et de matériaux pour cet ensemble extrême de conditions d’ingénierie. Nous voulons quelque chose qui a une masse de moins d’un gramme, mais qui couvre une superficie d’environ 10 mètres carrés. Cela signifie que l’épaisseur moyenne sera de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres; ce qui est beaucoup plus mince qu’un cheveu humain.

Ce matériau très mince sera soumis à un rayonnement laser intense pendant la phase de propulsion, avec une intensité de quelques mégawatts par mètre carré. Ce n’est pas la plus haute intensité qui n’ait jamais été générée en laboratoire, mais c’est une très forte intensité d’interaction avec une structure membranaire ultra-mince. Donc, la plus grande difficulté est qu’elle doit être ultra-réfléchissante afin que nous puissions donner l’impulsion et propulser la lightsail.

Existe-t-il des matériaux qui semblent prometteurs ?

Oui. Les meilleurs matériaux sont ceux qui sont diélectriques, ou isolants, plutôt que des matériaux métalliques, qui transmettent des charges électriques. Un bon exemple d’un diélectrique que tout le monde connaît est le verre, qui est hautement non absorbant. Malheureusement, le verre est un peu trop faible quant à sa réflectivité pour être un candidat efficace pour le matériau lightsail, mais néanmoins il montre le chemin. Les meilleurs matériaux à considérer sont ceux qui ont une réflectivité plus élevée mais aussi des coefficients d’absorption très faibles.

Comment ce travail s’inscrit-il dans vos objectifs de recherche ?

Mon équipe de recherche s’intéresse beaucoup à la façon dont la lumière interagit avec les matériaux à l’échelle nanométrique, ou les matériaux qui sont sculptés ou façonnés à l’échelle des longueurs d’ondes. Une des choses fascinantes est que les matériaux nanostructurés peuvent générer des compromis vraiment optimaux entre la masse et la réflectivité, et aussi aider à donner une stabilité à la voile. Nous avons besoin que la voile soit passablement stable, c’est-à-dire qu’elle ne s’effondre pas sous la pression du rayon laser.

Donc selon Atwater, il nous reste encore plusieurs défis à relever avant qu’un système à propulsion au laser se concrétise et qu’il devienne une réalité.

Source : Caltech