Aujourd’hui, plusieurs agences spatiales étudient des idées de propulsion de pointe qui permettront des transits rapides vers d’autres corps du système solaire. Ceux-ci incluent les concepts de propulsion nucléaire-thermique ou nucléaire-électrique (NTP/NEP) de la NASA qui pourraient permettre des temps de transit vers Mars en 100 jours (voire 45) et un vaisseau spatial chinois à propulsion nucléaire qui pourrait explorer Neptune et sa plus grande lune, Triton. Bien que ces idées et d’autres puissent permettre l’exploration interplanétaire, aller au-delà du système solaire présente des défis majeurs.
Comme nous l’avons exploré dans un article précédent, il faudrait aux engins spatiaux utilisant la propulsion conventionnelle entre 19 000 et 81 000 ans pour atteindre même l’étoile la plus proche, Proxima Centauri (4,25 années-lumière de la Terre). À cette fin, les ingénieurs ont étudié des propositions de vaisseaux spatiaux sans équipage qui s’appuient sur des faisceaux d’énergie dirigée (lasers) pour accélérer les voiles de lumière à une fraction de la vitesse de la lumière. Une nouvelle idée proposée par des chercheurs de l’UCLA envisage une torsion sur l’idée de faisceau-voile : un concept de faisceau de pastilles qui pourrait accélérer un vaisseau spatial d’une tonne jusqu’au bord du système solaire en moins de 20 ans.
Le concept, intitulé “Pellet-Beam Propulsion for Breakthrough Space Exploration”, a été proposé par Artur Davoyan, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial à l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA). La proposition était l’une des quatorze propositions choisies par le programme NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) dans le cadre de leurs sélections 2023, qui a accordé un total de 175 000 $ en subventions pour développer davantage les technologies. La proposition de Davoyan s’appuie sur des travaux récents sur la propulsion à énergie dirigée (DEP) et la technologie des voiles légères pour réaliser une lentille gravitationnelle solaire.
Comme le professeur Davoyan l’a dit à Universe Today par e-mail, le problème avec les engins spatiaux est qu’ils sont toujours redevables à l’équation de la fusée :
“Tous les engins spatiaux et fusées actuels volent grâce à l’expansion du carburant. Plus le carburant est jeté rapidement, plus la fusée est efficace. Cependant, il y a une quantité limitée de carburant que nous pouvons transporter à bord. En conséquence, la vitesse à laquelle un vaisseau spatial peut être accéléré est limitée. Cette limite fondamentale est dictée par l’équation de fusée. Les limites de Rocket Equation se traduisent par une exploration spatiale relativement lente et coûteuse. Des missions telles que Solar Gravitational Lens ne sont pas réalisables avec les engins spatiaux actuels.
La lentille gravitationnelle solaire (SGL) est une proposition révolutionnaire qui serait le télescope le plus puissant jamais conçu. Les exemples incluent la lentille de gravité solaire, qui a été sélectionnée en 2020 pour le développement de la phase III du NIAC. Le concept repose sur un phénomène prédit par la théorie de la relativité générale d’Einstein connu sous le nom de lentille gravitationnelle, où des objets massifs modifient la courbure de l’espace-temps, amplifiant la lumière des objets en arrière-plan. Cette technique permet aux astronomes d’étudier des objets éloignés avec une plus grande résolution et précision.
En positionnant un vaisseau spatial à l’héliopause (~ 500 UA du Soleil), les astronomes pourraient étudier les exoplanètes et les objets lointains avec la résolution d’un miroir primaire mesurant environ 100 km (62 mi) de diamètre. Le défi consiste à développer un système de propulsion qui pourrait amener le vaisseau spatial à cette distance en un temps raisonnable. À ce jour, les seuls engins spatiaux à avoir atteint l’espace interstellaire ont été les Voyager 1 et 2 sondes, qui ont été lancées en 1977 et sont actuellement à environ 159 et 132 UA du Soleil (respectivement).
Lorsqu’il a quitté le système solaire, le Voyageur 1 sonde se déplaçait à une vitesse record d’environ 17 km/s (38 028 mph), soit 3,6 AU par an. Néanmoins, cette sonde a tout de même mis 35 ans pour atteindre la frontière entre le vent solaire du Soleil et le milieu interstellaire (l’héliopause). À sa vitesse actuelle, il faudra plus de 40 000 ans à Voyager 1 pour survoler un autre système stellaire – AC+79 3888, une étoile obscure de la constellation de la Petite Ourse. Pour cette raison, les scientifiques étudient la propulsion à énergie dirigée (ED) pour accélérer les voiles légères, qui pourraient atteindre un autre système stellaire d’ici quelques décennies.
Comme l’a expliqué le professeur Davoyan, cette méthode offre certains avantages distincts, mais a également son lot d’inconvénients :
“La voile laser, contrairement aux engins spatiaux et aux fusées conventionnels, ne nécessite pas de carburant à bord pour accélérer. Ici, l’accélération provient d’un laser poussant le vaisseau spatial par pression de rayonnement. En principe, des vitesses proches de la vitesse de la lumière peuvent être atteintes avec cette méthode. Cependant, les faisceaux laser divergent sur de longues distances, ce qui signifie qu’il n’y a qu’une plage de distance limitée sur laquelle un vaisseau spatial peut être accéléré. Cette limitation de la navigation laser conduit à un besoin d’avoir des puissances laser exorbitantes, des gigawatts et, dans certaines propositions, des térawatts, ou impose une contrainte sur la masse des engins spatiaux.
Des exemples du concept de faisceau laser incluent le projet Dragonfly, une étude de faisabilité de l’Institute for Interstellar Studies (i4is) pour une mission qui pourrait atteindre un système stellaire proche d’ici un siècle. Ensuite, il y a Breakthrough Starshot, qui propose un réseau laser de 100 gigawatts (Gw) qui accélérerait le nanocraft à l’échelle du gramme (Starchip). À une vitesse maximale de 161 millions de km (100 millions de mi) ou 20% de la vitesse de la lumière, Starshot pourra atteindre Alpha Centauri dans environ 20 ans. Inspirés par ces concepts, le professeur Davoyan et ses collègues proposent une nouvelle tournure à l’idée : un concept de faisceau de pastilles.
Ce concept de mission pourrait servir de mission précurseur interstellaire à transit rapide, comme Starshot et Dragonfly. Mais pour leurs besoins, Davoyan et son équipe examinent un système à faisceau de pastilles qui propulserait une charge utile d’environ 900 kg (1 tonne US) à une distance de 500 UA en moins de 20 ans. Dit Davoyan :
“Dans notre cas, le faisceau poussant le vaisseau spatial est constitué de minuscules pastilles, d’où [we call it] le faisceau de pellets. Chaque pastille est accélérée à des vitesses très élevées par ablation laser, puis les pastilles portent leur élan pour pousser le vaisseau spatial. Contrairement à un faisceau laser, les pastilles ne divergent pas aussi rapidement, ce qui nous permet d’accélérer un vaisseau spatial plus lourd. Les pastilles, étant beaucoup plus lourdes que les photons, transportent plus d’élan et peuvent transférer une force plus élevée à un vaisseau spatial.
De plus, la petite taille et la faible masse des pastilles permettent de les propulser par des faisceaux laser de relativement faible puissance. Dans l’ensemble, Davoyan et ses collègues estiment qu’un vaisseau spatial d’une tonne pourrait être accéléré à des vitesses allant jusqu’à ~ 30 UA par an à l’aide d’un faisceau laser de 10 mégawatts (Mw). Pour l’effort de phase I, ils démontreront la faisabilité du concept de faisceau de pastilles grâce à une modélisation détaillée des différents sous-systèmes et à des expériences de preuve de concept. Ils exploreront également l’utilité du système à faisceau de pastilles pour les missions interstellaires qui pourraient explorer les étoiles voisines de notre vivant.
“Le faisceau de pastilles vise à transformer la façon dont l’espace lointain est exploré en permettant des missions de transit rapide vers des destinations lointaines”, a déclaré Davoyan. «Avec le faisceau de pastilles, les planètes extérieures peuvent être atteintes en moins d’un an, 100 UA en environ trois ans et la lentille de gravité solaire à 500 UA en environ 15 ans. Surtout, contrairement à d’autres concepts, le faisceau de pastilles peut propulser des engins spatiaux lourds (~ 1 tonne), ce qui augmente considérablement la portée des missions possibles.
S’il était réalisé, un vaisseau spatial SGL permettrait aux astronomes d’imager directement les exoplanètes voisines (comme Proxima b) avec une résolution multipixel et d’obtenir des spectres de leurs atmosphères. Ces observations offriraient des preuves directes d’atmosphères, de biosignatures et peut-être même de technosignatures. De cette façon, la même technologie qui permet aux astronomes d’imager directement les exoplanètes et de les étudier en détail permettrait également aux missions interstellaires de les explorer directement.
Lectures complémentaires : NASA
