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Il existe une solution pour propulser un vaisseau spatial, qui est bien connue, et qui permettrait de réduire les coûts d’exploitation. Mais cette technologie a toujours été freinée par le matériau de base qui compose cette technologie; il s’agit d’une voile solaire.

En effet, cette dernière doit être à la fois souple, robuste et réfléchissante. De plus elle ne doit pas absorber la chaleur venant du Soleil ou d’un réseau laser. Toutes ces contraintes, ont limité le déploiement d’une telle technologie. Mais cela pourrait changer.

Un voile nanophotonique

Un jour, dans un avenir pas si lointain, les voiles légères pourront traverser l’espace à une vitesse d’environ 20% celle de la lumière (ou 60 000 km/sec), non pas par du carburant mais par la pression de lasers venant de la Terre. En voyageant à ces vitesses relativistes, ces voiles légères alimentées par laser pourraient atteindre notre étoile voisine la plus proche (autre que le Soleil), Alpha Centauri, ou la plus proche planète potentiellement habitable, Proxima Centauri b, en 20 ans. Rappelons que ces deux objets se trouvent à plus de quatre années-lumière de la Terre.

Concevoir des voiles légères est un défi technologique majeur, car elle nécessite des caractéristiques contradictoires qui semblent presque insurmontables: une voile légère idéale devrait avoir une largeur de plusieurs mètres et être suffisamment robuste pour résister à une pression d’un rayonnement intense et cela en pesant seulement quelques dizaines de grammes.

D’autres exigences découlent du mécanisme par lequel les voiles légères fonctionnent. Selon les équations de Maxwell, la lumière a un élan et peut donc exercer une pression sur les objets. Cependant, les voiles légères ne sont pas simplement poussées par la pression de rayonnement, comme un voilier est poussé par le vent.

Au lieu de cela, la poussée résulterait de la réflexion d’un rayonnement. En conséquence, une voile optimale devrait refléter la majorité du rayonnement dans le spectre proche de l’infrarouge du faisceau laser, tout en émettant simultanément des rayonnements dans l’infrarouge moyen pour un rayonnement efficace.

Des structures nanophotoniques

Dans une nouvelle étude publiée dans Nano Letters, les chercheurs Ognjen Ilic, Cora Went et Harry Atwater de l’Institut de technologie de Californie à Pasadena (Caltech) ont montré que les structures nanophotoniques pouvaient répondre aux exigences matérielles strictes des voiles légères capables de voyager à des vitesses relativistes.

Les modèles de voiles légères précédentes utilisaient des matériaux tels que l’aluminium ultra-fin, divers polymères et la fibre de carbone. Contrairement à ces matériaux, les structures nanophotoniques ont la capacité de manipuler la lumière à des échelles de sous-longueur d’onde, ce qui leur donne l’avantage de répondre aux exigences simultanées d’une propulsion efficace (réflexion) et d’une gestion thermique (émission).

nanophotonique-001Le fonctionnement d’un voile nanophotonique

À titre d’exemple, les chercheurs ont montré qu’une pile de silicium et de silice à deux couches est prometteuse en raison des propriétés combinées de ces deux matériaux. Alors que le silicium a un indice de réfraction élevé – ce qui correspond à une propulsion efficace – mais une faible capacité de refroidissement, la silice possède de bonnes propriétés de refroidissement radiatif mais a un indice de réfraction plus faible.

Dans leur article, les chercheurs ont également proposé un nouveau facteur qui mesure le compromis entre une masse de voile légère et une réflectivité élevée. À l’avenir, ce concept contribuera à minimiser les contraintes sur la puissance du laser et la taille du réseau laser.

Un réseau laser offre le potentiel de propulsion beaucoup plus rapide

Bien que conceptualisée depuis près d’un siècle, cette technologie n’a rattrapé les premières visions des scientifiques que pour propulser un vaisseau spatial avec la pression de la lumière. Inspirés par la façon dont le rayonnement du soleil pousse la queue de la comète dans la direction opposée, les concepts les plus anciens étaient ceux des voiles solaires qui utilisent la pression du rayonnement solaire plutôt que celle de lasers.

La première voile solaire (Ikaros) de 200 mètres carrés a été lancée en 2010 par l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale (JAXA) et a atteint avec succès l’orbite de Vénus en six mois, alimentée par la pression des photons solaires. Les chercheurs travaillent actuellement à la conception de voiles solaires capables d’accélérer davantage et d’être compétitives par rapport à l’accélération des fusées, offrant ainsi la possibilité de lancer des engins spatiaux sans le coût astronomique du propergol conventionnel.

Bien que les voiles solaires puissent atteindre une vitesse comparable à celle des fusées, le rayonnement solaire est relativement faible par rapport à un réseau laser de grande puissance. En conséquence, un réseau laser offre le potentiel de propulsion beaucoup plus rapide, jusqu’à des vitesses relativistes, mais des travaux supplémentaires sont nécessaires avant que de telles voiles à moteur laser ne soient démontrées.

Des vitesses considérablement plus rapides

Mais si cette technologie peut démontrer sa faisabilité, nous pourrions voyager dans l’espace, à des vitesses relativistes, et ce à des coûts extrêmement bas comparativement aux fusées.

Source : Caltech (PDF)