Une conception d’artiste du vaisseau spatial Starshot Lightsail pendant son accélération par un réseau de lasers au sol. Les conceptions précédentes des voiles lumineuses les imaginaient poussées passivement par la lumière du soleil, mais l’approche laser de Starshot nécessite de repenser la forme et la composition de la voile afin qu’elle ne fonde pas ou ne se déchire pas pendant l’accélération. Crédit : Masumi Shibata, avec l’aimable autorisation de Breakthrough Initiatives.
Les astronomes attendent depuis des décennies le lancement du James Webb Space Telescope, which promises to peer farther into space than ever before. But if humans want to actually reach our nearest stellar neighbor, they will need to wait quite a bit longer: a probe sent to Alpha Centauri with a rocket would need roughly 80,000 years to make the trip.
Igor Bargatin, Associate Professor in the Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics, is trying to solve this futuristic problem with ideas taken from one of humanity’s oldest transportation technologies: the sail.
As part of the Breakthrough Starshot Initiative, he and his colleagues are designing the size, shape, and materials for a sail pushed not by wind, but by light.
Using nanoscopically thin materials and an array of powerful lasers, such a sail could carry a microchip-sized probe at a fifth of the speed of light, fast enough to make the trip to Alpha Centauri in roughly 20 years, rather than millennia.
“Reaching another star within our lifetimes is going to require relativistic speed, or something approaching the speed of light,” Bargatin says. “The idea of a light sail has been around for some time, but we’re just now figuring out how to make sure those designs survive the trip.”
Much of the earlier research in the field has presumed that the sun would passively provide all of the energy that light sails would need to get moving. However, Starshot’s plan to get its sails to relativistic speeds requires a much more focused source of energy. Once the sail is in orbit, a massive array of ground-based lasers would train their beams on it, providing a light intensity millions of times greater than the sun’s.
Given that the lasers’ target would be a three-meter-wide structure a thousand times thinner than a sheet of paper, figuring out how to prevent the sail from tearing or melting is a major design challenge.
Bargatin, Deep Jariwala, Assistant Professor in the Department of Electrical and Systems Engineering, and Aaswath Raman, Assistant Professor in the Department of Materials Science and Engineering at the UCLA Samueli School of Engineering, have now published a pair of papers in the journal Nano Letters that outline some of those fundamental specifications.
One paper,[1] Les recherches menées par Bargatin démontrent que les voiles légères de Starshot, qui devraient être construites à partir de feuilles ultrafines d’oxyde d’aluminium et de disulfure de molybdène, devront être gonflées comme un parachute plutôt que de rester plates, comme le supposaient la plupart des recherches précédentes.
“L’intuition ici est qu’une voile très serrée, que ce soit sur un voilier ou dans l’espace, est beaucoup plus sujette aux déchirures”, explique Bargatin. “C’est un concept relativement facile à saisir, mais nous avons dû faire des calculs très complexes pour montrer réellement comment ces matériaux se comporteraient à cette échelle.”
Plutôt qu’une feuille plate, Bargatin et ses collègues suggèrent qu’une structure incurvée, à peu près aussi profonde que large, serait la plus à même de résister aux contraintes de l’hyperaccélération de la voile, une attraction des milliers de fois supérieure à celle de la gravité terrestre.
“Les photons laser rempliront la voile comme l’air gonfle un ballon de plage”, explique Matthew Campbell, chercheur postdoctoral dans le groupe de Bargatin et auteur principal du premier article. “Et nous savons que les conteneurs légers et pressurisés doivent être sphériques ou cylindriques pour éviter les déchirures et les fissures. Pensez aux réservoirs de propane ou même aux réservoirs de carburant des fusées.”
L’autre document,[2] dirigé par Raman, donne un aperçu de la façon dont les motifs à l’échelle nanométrique dans la voile pourraient dissiper le plus efficacement possible la chaleur qui accompagne un faisceau laser un million de fois plus puissant que le soleil.
“Si les voiles absorbent ne serait-ce qu’une infime partie de la lumière laser incidente, elles atteindront des températures très élevées”, explique M. Raman. “Pour s’assurer qu’elles ne se désintègrent pas simplement, nous devons maximiser leur capacité à rayonner leur chaleur, qui est le seul mode de transfert de chaleur disponible dans l’espace.”
Des recherches antérieures sur les voiles de lumière ont montré que l’utilisation d’une conception de cristaux photoniques, consistant essentiellement à clouer le “tissu” de la voile avec des trous régulièrement espacés, maximiserait le rayonnement thermique de la structure. Le nouvel article des chercheurs ajoute une autre couche de périodicité : des bandes de tissu de voile attachées ensemble dans une grille.
Avec l’espacement des trous correspondant à la longueur d’onde de la lumière et l’espacement des échantillons correspondant à la longueur d’onde de l’émission thermique, la voile pourrait résister à une poussée initiale encore plus puissante, réduisant le temps dont les lasers auraient besoin pour rester sur leur cible.
“Il y a quelques années, le fait même de penser ou de faire des travaux théoriques sur ce type de concept était considéré comme farfelu”, déclare Jariwala. “Aujourd’hui, non seulement nous disposons d’un concept, mais ce concept est fondé sur des matériaux réels disponibles dans nos laboratoires. Notre plan pour l’avenir serait de fabriquer de telles structures à petite échelle et de les tester avec des lasers de grande puissance.”
Références :
“Relativistic Light Sails Need to Billow” par Matthew F. Campbell, John Brewer, Deep Jariwala, Aaswath P. Raman et Igor Bargatin, 23 décembre 2021, Nano Letters.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03272
“Multiscale Photonic Emissivity Engineering for Relativistic Lightsail Thermal Regulation” par John Brewer, Matthew F. Campbell, Pawan Kumar, Sachin Kulkarni, Deep Jariwala, Igor Bargatin et Aaswath P. Raman, 11 janvier 2022, Nano Letters.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03273
Pawan Kumar, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Jariwala, ainsi que John Brewer et Sachin Kulkarni, membres du laboratoire de Raman à UCLA Samueli, ont contribué à cette recherche.
Breakthrough Starshot fait partie de laBreakthrough Initiatives, une série de programmes de sciences spatiales qui étudient les questions fondamentales de la vie dans l’Univers. Ces initiatives philanthropiques sont financées par la Breakthrough Foundation, créée par Yuri Milner et son épouse Julia.