Un essaim de vaisseaux spatiaux à voile laser quittant le système solaire. Crédit : Adrian Mann
;” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>NASA and China plan to mount crewed missions to Mars in the next decade. While this represents a tremendous leap in terms of space exploration, it also presents significant logistical and technological challenges. For starters, missions can only launch for Mars every 26 months when our two planets are at the closest points in their orbit to each other (during an “Opposition“). Using current technology, it would take six to nine months to transit from Earth to Mars.
Even with nuclear-thermal or nuclear-electric propulsion (NTP/NEP), a one-way transit could take 100 days to reach Mars. However, a team of researchers from Montreal’s McGill University assessed the potential of a laser-thermal propulsion system. According to their study, a spacecraft that relies on a novel propulsion system – where lasers are used to heat hydrogen fuel – could reduce transit times to Mars to just 45 days!
The research was led by Emmanuel Duplay, a McGill graduate and current MSc Aerospace Engineering student at TU Delft. He was joined by Associate Professor Andrew Higgins and multiple researchers with the Department of Mechanical Engineering at McGill University. Their study, titled “Design of a rapid transit to Mars mission using laser-thermal propulsion,” was recently submitted to the journal Astronomy & Astronomy.
Artist’s impression of a directed-energy propulsion laser sail in action. Credit: Q. Zhang/deepspace.ucsb.edu
In recent years, directed-energy (DE) propulsion has been the subject of considerable research and interest. Examples include the Starlight program – also known as the Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration (DEEP-IN) and Directed Energy Interstellar Studies (DEIS) programs – developed by Prof. Phillip Lubin and the UCSB Experimental Cosmology Group (ECG). As part of NASA-funded research that began in 2009, these programs aim to adapt large-scale DE applications for interstellar missions.
There’s also Breakthrough Starshot and Project Dragonfly, both of which emerged from a design study hosted by the Initiative for Interstellar Studies (i4iS) in 2013. These concepts call for a gigawatt-power laser array to accelerate a lightsail and a small spacecraft to a fraction of the speed of light (aka. relativistic speeds) to reach nearby star systems in decades, rather than centuries or millennia.
But whereas these concepts are interstellar in focus, Duplay and his colleagues explored the possibility of an interplanetary concept. As Duplay explained to Universe Today via email:
“The ultimate application of directed-energy propulsion would be to propel a lightsail to the stars for true interstellar travel, a possibility that motivated our team that did this study. We were interested in how the same laser technology could be used for rapid transit in the solar system, which will hopefully be a nearer-term steppingstone that can demonstrate the technology.”
Project Starshot, an initiative sponsored by the Breakthrough Foundation, is intended to be humanity’s first interstellar voyage. Credit: breakthroughinitiatives.org
Aside from laser sail propulsion, DE is being explored for several other space exploration applications. This includes power beaming to and from spacecraft and permanently-shadowed habitats (e.g., the Artemis Program), communications, asteroid defense, and the search for possible technosignatures. There’s also a concept for a laser-electric spacecraft being investigated by NASA and as part of a collaborative study between the UCSB ECG and MIT.
For this application, lasers are used to deliver power to photovoltaic arrays on a spacecraft, which is converted to electricity to power a Hall-Effect Thruster (ion engine). This idea is similar to a nuclear-electric propulsion (NEP) system, where a laser array takes the place of a nuclear reactor. As Duplay explained, their concept is related but different:
“Our approach is complimentary to these concepts, in that it uses the same phased-array laser concept, but would use a much more intense laser flux on the spacecraft to directly heat propellant, similar to a giant steam kettle. This permits the spacecraft to accelerate rapidly while it is still near earth, so the laser does not need to focus as far into space.
“Our spacecraft is like a dragster that accelerates very quickly while still near earth. We believe we can even use the same laser-powered rocket engine to bring the booster back into earth orbit, after it has thrown the main vehicle to Mars, enabling it to be quickly recycled for the next launch.”
An artist’s concept for a nuclear rocket that would facilitate missions to Mars. Credit: Rolls-Royce
In this respect, the concept proposed by Duplay and his colleagues is akin to a nuclear-thermal propulsion (NTP) system, where the laser has taken the place of a nuclear reactor. In addition to DE and hydrogen propellant, the mission architecture for a laser-thermal spacecraft includes several technologies from other architectures. As Duplay indicated, they include:
“[A]rrays de lasers à fibre optique qui agissent comme un seul élément optique, des structures spatiales gonflables qui peuvent être utilisées pour concentrer le faisceau laser lorsqu’il arrive à l’engin spatial dans la chambre de chauffage, et le développement de matériaux à haute température qui permettent à l’engin spatial de se briser contre l’atmosphère martienne à l’arrivée.”
Ce dernier élément est essentiel étant donné qu’il n’y a pas de réseau laser sur Mars pour décélérer le vaisseau spatial une fois arrivé sur Mars. “Le réflecteur gonflable est une clé par rapport aux autres architectures à énergie dirigée : conçu pour être hautement réfléchissant, il peut soutenir une puissance laser par unité de surface supérieure à celle d’un panneau photovoltaïque, ce qui rend cette mission réalisable avec une taille de réseau laser modeste par rapport à la propulsion laser-électrique”, ajoute Duplay.
En combinant ces éléments, une fusée laser-thermique pourrait permettre des transits très rapides vers Mars, d’une durée de six semaines seulement, ce qui n’était considéré comme possible qu’avec des moteurs de fusée à propulsion nucléaire auparavant. L’avantage le plus immédiat est qu’elle offre une solution aux dangers des transits dans l’espace lointain, comme l’exposition prolongée aux radiations et à la microgravité.
Impression d’artiste du camp de base de Mars en orbite autour de Mars. Lorsque les missions vers Mars commenceront, l’un des plus grands risques sera celui posé par les radiations spatiales. Crédit : Lockheed Martin
En même temps, dit Duplay, la mission présente quelques obstacles car beaucoup des technologies impliquées sont à la pointe du progrès et n’ont pas encore été testées :
“La chambre de chauffage laser est probablement le défi le plus important : Pouvons-nous contenir l’hydrogène gazeux, notre propulseur, pendant qu’il est chauffé par le faisceau laser à des températures supérieures à 10 000 K, tout en maintenant les parois de la chambre froides ? Nos modèles disent que c’est faisable, mais les tests expérimentaux à grande échelle ne sont pas possibles pour l’instant car nous n’avons pas encore construit les lasers de 100 MW nécessaires.”
Bien qu’une grande partie de la technologie de cette proposition d’architecture de mission – et d’autres propositions similaires – soit encore en phase de théorie et de développement, leur potentiel ne fait aucun doute. Réduire le temps nécessaire pour se rendre sur Mars à quelques semaines au lieu de quelques mois permettra de relever deux des plus grands défis des missions martiennes : les considérations logistiques et sanitaires.
En outre, l’établissement d’un système de transit rapide entre la Terre et Mars accélérera la création d’infrastructures entre la Terre et Mars. Il pourrait s’agir d’une station spatiale de type Gateway en orbite autour de Mars, comme le Mars Base Camp proposé par Lockheed Martin, ainsi que d’un réseau de lasers pour décélérer les vaisseaux spatiaux entrants. La présence de ces installations permettrait également d’accélérer les plans visant à créer une présence humaine permanente à la surface. Comme l’a conclu le professeur Higgins :
“L’étude de conception de Mars en 45 jours menée par Emmanuel a été motivée par l’exploration d’autres applications à court terme de la technologie des lasers à réseau phasé que le groupe de Philip Lubin développe. La capacité de fournir de l’énergie dans l’espace par laser serait une technologie perturbatrice pour la propulsion et l’alimentation. Notre étude a examiné l’approche thermique du laser, qui semble encourageante, mais c’est la technologie laser elle-même qui change vraiment la donne.”
Publié à l’origine sur Universe Today.
