Nous avons tous posé cette question à un moment de notre vie: combien de temps cela prendrait-il pour voyager vers les étoiles? Serait-ce possible au cours de la vie d'une personne et ce type de voyage pourrait-il devenir un jour la norme? Il existe de nombreuses réponses possibles à cette question - certaines très simples, d'autres dans les domaines de la science-fiction. Mais trouver une réponse globale signifie prendre beaucoup de choses en considération.
Malheureusement, toute évaluation réaliste est susceptible de produire des réponses qui décourageraient totalement les futuristes et les amateurs de voyages interstellaires. Qu'on le veuille ou non, l'espace est très grand et notre technologie est encore très limitée. Mais si jamais nous envisageons de «quitter le nid», nous aurons une gamme d'options pour arriver aux systèmes solaires les plus proches de notre galaxie.
L'étoile la plus proche de la Terre est notre Soleil, qui est une étoile assez «moyenne» dans la «séquence principale» du diagramme de Hertzsprung - Russell. Cela signifie qu'il est très stable, fournissant à la Terre juste le bon type de lumière solaire pour que la vie évolue sur notre planète. Nous savons qu'il y a des planètes en orbite autour d'autres étoiles près de notre système solaire, et beaucoup de ces étoiles sont similaires aux nôtres.
À l'avenir, si l'humanité souhaite quitter le système solaire, nous aurons un vaste choix d'étoiles vers lesquelles nous pourrions voyager, et beaucoup pourraient avoir les bonnes conditions pour que la vie prospère. Mais où irions-nous et combien de temps nous faudrait-il pour y arriver? N'oubliez pas que tout cela est spéculatif et qu'il n'y a actuellement aucune référence pour les voyages interstellaires. Cela étant dit, c'est parti!
Étoile la plus proche:
Comme déjà indiqué, l'étoile la plus proche de notre système solaire est Proxima Centauri, c'est pourquoi il est plus logique de tracer une mission interstellaire pour ce système en premier. Dans le cadre d'un système à trois étoiles appelé Alpha Centauri, Proxima est à environ 4,24 années-lumière (ou 1,3 parsecs) de la Terre. Alpha Centauri est en fait l'étoile la plus brillante des trois du système - faisant partie d'un binaire en orbite étroite à 4,37 années-lumière de la Terre - tandis que Proxima Centauri (la plus faible des trois) est une naine rouge isolée à environ 0,13 année-lumière du binaire .
Et tandis que le voyage interstellaire évoque toutes sortes de visions du voyage plus rapide que la lumière (FTL), allant de la vitesse de distorsion et des trous de ver aux lecteurs de saut, ces théories sont soit hautement spéculatives (telles que la promenade Alcubierre) ou entièrement du domaine de la science fiction. Selon toute vraisemblance, toute mission dans l'espace lointain prendra probablement des générations pour y arriver, plutôt que quelques jours ou en un éclair instantané.
Donc, en commençant par l'une des formes les plus lentes de voyage dans l'espace, combien de temps faut-il pour se rendre à Proxima Centauri?
Méthodes actuelles:
La question du temps qu'il faudrait pour arriver quelque part dans l'espace est un peu plus facile lorsque l'on traite des technologies et des corps existants au sein de notre système solaire. Par exemple, l'utilisation de la technologie qui a propulsé la mission New Horizons - qui consistait en 16 propulseurs alimentés en monopropellant d'hydrazine - pour atteindre la Lune ne prendrait que 8 heures et 35 minutes.
D'autre part, il y a la mission SMART-1 de l'Agence spatiale européenne (ESA), qui a pris son temps pour se rendre sur la Lune en utilisant la méthode de propulsion ionique. Avec cette technologie révolutionnaire, dont une variante a depuis été utilisée par le vaisseau spatial Dawn pour atteindre Vesta, la mission SMART-1 a mis un an, un mois et deux semaines pour atteindre la Lune.
Ainsi, du vaisseau spatial propulsé par une fusée rapide au lecteur ionique économique, nous avons quelques options pour se déplacer dans l'espace local - en plus, nous pourrions utiliser Jupiter ou Saturne pour une fronde gravitationnelle lourde. Cependant, si nous envisagions des missions quelque part un peu plus éloignées, nous devions étendre notre technologie et examiner ce qui est vraiment possible.
Lorsque nous parlons de méthodes possibles, nous parlons de celles qui impliquent la technologie existante, ou celles qui n'existent pas encore mais qui sont techniquement réalisables. Certains, comme vous le verrez, sont consacrés et éprouvés, tandis que d'autres sont en train d'émerger ou de faire partie du conseil d'administration. Dans presque tous les cas cependant, ils présentent un scénario possible (mais extrêmement long ou coûteux) pour atteindre même les étoiles les plus proches…
Propulsion ionique:
Actuellement, la forme de propulsion la plus lente et la plus économe en carburant est le moteur ionique. Il y a quelques décennies, la propulsion ionique était considérée comme faisant l'objet de science-fiction. Cependant, au cours des dernières années, la technologie pour supporter les moteurs ioniques est passée de la théorie à la pratique de manière considérable. La mission SMART-1 de l’ESA, par exemple, a achevé avec succès sa mission sur la Lune après avoir suivi une trajectoire en spirale de 13 mois depuis la Terre.
SMART-1 utilisait des propulseurs ioniques à énergie solaire, où l'énergie électrique était récupérée de ses panneaux solaires et utilisée pour alimenter ses propulseurs à effet Hall. Seuls 82 kg de propulseur au xénon ont été utilisés pour propulser SMART-1 sur la Lune. 1 kg de propulseur au xénon a fourni un delta-v de 45 m / s. Il s'agit d'une forme de propulsion très efficace, mais elle n'est en aucun cas rapide.
L'une des premières missions à utiliser la technologie de propulsion ionique a été Deep Space 1 mission à Comet Borrelly qui a eu lieu en 1998. DS1 a également utilisé un lecteur ionique au xénon, consommant 81,5 kg de propulseur. Plus de 20 mois de poussée, DS1 a réussi à atteindre une vitesse de 56 000 km / h (35 000 miles / h) lors de son survol de la comète.
Les propulseurs ioniques sont donc plus économiques que la technologie des fusées, car la poussée par unité de masse de propulseur (impulsion spécifique alias) est beaucoup plus élevée. Mais il faut beaucoup de temps aux propulseurs ioniques pour accélérer le vaisseau spatial à de grandes vitesses, et la vitesse maximale qu'il peut atteindre dépend de son approvisionnement en carburant et de la quantité d'énergie électrique qu'il peut générer.
Donc, si la propulsion ionique devait être utilisée pour une mission à Proxima Centauri, les propulseurs auraient besoin d'une énorme source de production d'énergie (c'est-à-dire l'énergie nucléaire) et d'une grande quantité de propulseur (bien que toujours moins que les fusées conventionnelles). Mais en supposant qu'une alimentation de 81,5 kg de propulseur au xénon se traduit par une vitesse maximale de 56 000 km / h (et qu'il n'y a pas d'autres formes de propulsion disponibles, comme une fronde gravitationnelle pour l'accélérer davantage), certains calculs peuvent être fait.
Bref, à une vitesse maximale de 56 000 km / h, Deep Space 1 prendrait le relais 81 000 ans pour traverser les 4,24 années-lumière entre la Terre et Proxima Centauri. Pour mettre cette échelle de temps en perspective, cela représenterait plus de 2 700 générations humaines. Il est donc sûr de dire qu'une mission de moteur ionique interplanétaire serait beaucoup trop lente pour être envisagée pour une mission interstellaire habitée.
Mais, si les propulseurs ioniques devaient être rendus plus grands et plus puissants (c'est-à-dire que la vitesse d'échappement des ions devrait être considérablement plus élevée), et suffisamment de propulseur pourrait être transporté pour maintenir le vaisseau spatial en route pendant tout le voyage de l'année lumière 4.243, ce temps de voyage pourrait être considérablement réduit. Mais ce n'est toujours pas suffisant pour arriver dans la vie de quelqu'un.
Méthode d'assistance à la gravité:
Le moyen de déplacement spatial existant le plus rapide est connu sous le nom de méthode d'assistance à la gravité, qui implique un vaisseau spatial utilisant le mouvement relatif (c'est-à-dire l'orbite) et la gravité d'une planète pour modifier son trajet et sa vitesse. Les aides gravitationnelles sont une technique de vol spatial très utile, en particulier lorsque vous utilisez la Terre ou une autre planète massive (comme une géante gazeuse) pour augmenter la vitesse.
le Mariner 10 le vaisseau spatial a été le premier à utiliser cette méthode, en utilisant l'attraction gravitationnelle de Vénus pour le lancer en direction de Mercure en février 1974. Dans les années 1980, le Voyager 1 La sonde a utilisé Saturne et Jupiter pour des frondes gravitationnelles pour atteindre sa vitesse actuelle de 60 000 km / h (38 000 miles / h) et la faire pénétrer dans l'espace interstellaire.
Mais c’était Helios 2 mission - qui a été lancée en 1976 pour étudier le milieu interplanétaire de 0,3 UA à 1 UA jusqu'au Soleil - qui détient le record de la vitesse la plus élevée atteinte avec une assistance gravitationnelle. À l'époque, Helios 1 (lancée en 1974) et Helios 2 détenait le record de l'approche la plus proche du Soleil. Helios 2 a été lancé par un lanceur conventionnel Titan / Centaur de la NASA et placé sur une orbite très elliptique.
En raison de la grande excentricité (0,54) de l'orbite solaire des sondes (190 jours), au périhélie, Helios 2 a pu atteindre une vitesse maximale de plus de 240 000 km / h (150 000 miles / h). Cette vitesse orbitale a été atteinte par l'attraction gravitationnelle du Soleil seul. Techniquement, le Helios 2 la vitesse du périhélie n'était pas une fronde gravitationnelle, c'était une vitesse orbitale maximale, mais elle détient toujours le record d'être l'objet synthétique le plus rapide.
Donc si Voyager 1 voyageait en direction de la naine rouge Proxima Centauri à une vitesse constante de 60 000 km / h, il faudrait 76 000 ans (ou plus de 2 500 générations) pour parcourir cette distance. Mais s'il pouvait atteindre la vitesse record de Helios 2Approche rapprochée du Soleil - une vitesse constante de 240 000 km / h - il faudrait 19 000 ans (ou plus de 600 générations) pour voyager 4.243 années-lumière. Beaucoup mieux, mais toujours pas dans le domaine pratique.
Entraînement électromagnétique (EM):
Une autre méthode proposée de voyage interstellaire se présente sous la forme du propulseur à cavité résonante par radiofréquence (RF), également connu sous le nom de EM Drive. Initialement proposé en 2001 par Roger K. Shawyer, un scientifique britannique qui a lancé Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) pour le concrétiser, ce lecteur est construit autour de l'idée que les cavités micro-ondes électromagnétiques peuvent permettre la conversion directe de l'énergie électrique en poussée .
Alors que les propulseurs électromagnétiques conventionnels sont conçus pour propulser un certain type de masse (comme les particules ionisées), ce système d'entraînement particulier ne repose sur aucune masse de réaction et n'émet aucun rayonnement directionnel. Une telle proposition a rencontré beaucoup de scepticisme, principalement parce qu'elle viole la loi de conservation de la quantité de mouvement - qui stipule qu'au sein d'un système, la quantité de mouvement reste constante et n'est ni créée ni détruite, mais ne change que par l'action de les forces.
Cependant, des expériences récentes avec la conception ont apparemment donné des résultats positifs. En juillet 2014, lors de la 50e conférence conjointe AIAA / ASME / SAE / ASEE sur la propulsion à Cleveland, Ohio, des chercheurs de la recherche avancée en propulsion de la NASA ont affirmé avoir testé avec succès une nouvelle conception pour un entraînement de propulsion électromagnétique.
Cela a été suivi en avril 2015 lorsque des chercheurs de la NASA Eagleworks (qui fait partie du Johnson Space Center) ont affirmé qu'ils avaient testé avec succès le lecteur dans le vide, une indication qu'il pourrait effectivement fonctionner dans l'espace. En juillet de la même année, une équipe de recherche du département des systèmes spatiaux de l'Université de technologie de Dresde a construit sa propre version du moteur et observé une poussée détectable.
Et en 2010, le professeur Juan Yang de la Northwestern Polytechnical University à Xi’an, en Chine, a commencé à publier une série de documents sur ses recherches sur la technologie EM Drive. Cela a culminé dans son article de 2012 où elle a signalé une puissance d'entrée plus élevée (2,5 kW) et testé des niveaux de poussée (720 mN). En 2014, elle a en outre signalé des tests approfondis impliquant des mesures de température interne avec des thermocouples intégrés, qui semblaient confirmer que le système fonctionnait.
Selon des calculs basés sur le prototype de la NASA (qui a donné une estimation de puissance de 0,4 N / kilowatt), un vaisseau spatial équipé du moteur EM pourrait faire le voyage à Pluton en moins de 18 mois. C'est un sixième du temps qu'il a fallu à la sonde New Horizons pour y arriver, qui se déplaçait à des vitesses proches de 58 000 km / h (36 000 mph).
Cela semble impressionnant. Mais même à ce rythme, il faudrait un navire équipé de moteurs EM sur 13 000 ans pour que le navire se rende à Proxima Centauri. Se rapprocher, mais pas assez vite! et tant que la technologie n’aura pas définitivement fait ses preuves, cela n’a pas beaucoup de sens de mettre nos œufs dans ce panier.
Propulsion nucléaire thermique / nucléaire électrique (NTP / NEP):
Une autre possibilité pour le vol spatial interstellaire consiste à utiliser des engins spatiaux équipés de moteurs nucléaires, un concept que la NASA explore depuis des décennies. Dans une fusée à propulsion thermique nucléaire (NTP), des réactions d'uranium ou de deutérium sont utilisées pour chauffer l'hydrogène liquide à l'intérieur d'un réacteur, le transformant en hydrogène gazeux ionisé (plasma), qui est ensuite canalisé à travers une buse de fusée pour générer une poussée.
Une fusée de propulsion électrique nucléaire (NEP) implique le même réacteur de base convertissant sa chaleur et son énergie en énergie électrique, qui alimenterait ensuite un moteur électrique. Dans les deux cas, la fusée s'appuierait sur la fission ou la fusion nucléaire pour générer une propulsion plutôt que des propulseurs chimiques, qui a été le pilier de la NASA et de toutes les autres agences spatiales à ce jour.
Par rapport à la propulsion chimique, le NTP et le NEC offrent un certain nombre d'avantages. Le premier et le plus évident est la densité d'énergie pratiquement illimitée qu'il offre par rapport au carburant de fusée. De plus, un moteur à propulsion nucléaire pourrait également fournir une poussée supérieure par rapport à la quantité de propulseur utilisée. Cela réduirait la quantité totale de propulseur nécessaire, réduisant ainsi le poids du lancement et le coût des missions individuelles.
Bien qu'aucun moteur nucléaire thermique n'ait jamais volé, plusieurs concepts de conception ont été construits et testés au cours des dernières décennies, et de nombreux concepts ont été proposés. Celles-ci vont de la conception traditionnelle à noyau solide - telle que le moteur nucléaire pour application de fusée (NERVA) - à des concepts plus avancés et plus efficaces qui reposent sur un noyau liquide ou gazeux.
Cependant, malgré ces avantages en termes d'économie de carburant et d'impulsion spécifique, le concept NTP le plus sophistiqué a une impulsion spécifique maximale de 5000 secondes (50 kN · s / kg). À l'aide de moteurs nucléaires entraînés par la fission ou la fusion, les scientifiques de la NASA estiment qu'il ne faudrait que 90 jours à un vaisseau spatial pour se rendre sur Mars lorsque la planète était en «opposition» - c'est-à-dire à 55 000 000 km de la Terre.
Mais adaptée à un voyage à sens unique vers Proxima Centauri, une fusée nucléaire mettrait encore des siècles à accélérer au point où elle volait une fraction de la vitesse de la lumière. Il faudrait alors plusieurs décennies de temps de trajet, suivis de plusieurs siècles de décélération avant d'atteindre sa destination. Tout compte fait, nous parlons toujours de 1000 ans avant qu'il n'atteigne sa destination. Bon pour les missions interplanétaires, pas si bon pour les missions interstellaires.
Méthodes théoriques:
En utilisant la technologie existante, le temps qu'il faudrait pour envoyer des scientifiques et des astronautes en mission interstellaire serait extrêmement lent. Si nous voulons faire ce voyage en une seule vie, voire en une génération, quelque chose d'un peu plus radical (aka. Très théorique) sera nécessaire. Et bien que les trous de ver et les moteurs de saut puissent encore être de la pure fiction à ce stade, certaines idées assez avancées ont été envisagées au fil des ans.
Propulsion à impulsion nucléaire:
La propulsion par impulsion nucléaire est une forme théoriquement possible de voyage spatial rapide. Le concept a été initialement proposé en 1946 par Stanislaw Ulam, un mathématicien polonais-américain qui a participé au projet Manhattan, et les calculs préliminaires ont ensuite été effectués par F. Reines et Ulam en 1947. Le projet réel - connu sous le nom de projet Orion - a été lancé en 1958 et a duré jusqu'en 1963.
Dirigé par Ted Taylor de General Atomics et le physicien Freeman Dyson de l'Institute for Advanced Study de Princeton, Orion espérait exploiter la puissance des explosions nucléaires pulsées pour fournir une poussée énorme avec une impulsion spécifique très élevée (c'est-à-dire la quantité de poussée par rapport au poids ou le nombre de secondes pendant lesquelles la fusée peut continuellement tirer).
En un mot, la conception d'Orion implique un grand vaisseau spatial avec une grande quantité d'ogives thermonucléaires réalisant la propulsion en lâchant une bombe derrière elle puis en surfant sur la vague de détonation à l'aide d'un coussin monté à l'arrière appelé un «pousseur». Après chaque explosion, la force explosive serait absorbée par ce coussinet pousseur, qui traduit ensuite la poussée en élan.
Bien que peu élégant par rapport aux normes modernes, l'avantage de la conception est qu'il atteint une impulsion spécifique élevée - ce qui signifie qu'il extrait la quantité maximale d'énergie de sa source de combustible (dans ce cas, des bombes nucléaires) à un coût minimum. De plus, le concept pourrait théoriquement atteindre des vitesses très élevées, certaines estimations suggérant un chiffre approximatif pouvant atteindre 5% la vitesse de la lumière (ou 5,4 × 107 km / h).
Mais bien sûr, il y a les inconvénients inévitables de la conception. D'une part, un navire de cette taille serait incroyablement cher à construire. Selon des estimations produites par Dyson en 1968, un vaisseau spatial Orion qui utilisait des bombes à hydrogène pour générer une propulsion pèserait 400 000 à 4 000 000 de tonnes métriques. Et au moins les trois quarts de ce poids sont constitués de bombes nucléaires, où chaque ogive pèse environ 1 tonne métrique.
Tout compte fait, les estimations les plus prudentes de Dyson placent le coût total de construction d'un vaisseau Orion à 367 milliards de dollars. Ajusté pour l’inflation, cela représente environ 2,5 billions de dollars - ce qui représente plus des deux tiers des revenus annuels actuels du gouvernement américain. Par conséquent, même le plus léger, l'engin serait extrêmement coûteux à fabriquer.
Il y a aussi le léger problème de tous les rayonnements qu’il génère, sans parler des déchets nucléaires. En fait, c’est pour cette raison que le projet est censé avoir été interrompu en raison de l’adoption du Traité d’interdiction partielle des essais de 1963, qui visait à limiter les essais nucléaires et à empêcher le rejet excessif de retombées nucléaires dans l’atmosphère de la planète.
Fusées à fusion:
Une autre possibilité dans le domaine de l'énergie nucléaire exploitée implique des fusées qui s'appuient sur des réactions thermonucléaires pour générer une poussée. Pour ce concept, de l'énergie est créée lorsque des pastilles d'un mélange deutérium / hélium-3 sont enflammées dans une chambre de réaction par confinement inertiel à l'aide de faisceaux d'électrons (semblable à ce qui est fait à la National Ignition Facility en Californie). Ce réacteur de fusion ferait exploser 250 pastilles par seconde pour créer un plasma de haute énergie, qui serait ensuite dirigé par une buse magnétique pour créer une poussée.
Comme une fusée qui s'appuie sur un réacteur nucléaire, ce concept présente des avantages en termes d'efficacité énergétique et d'impulsion spécifique. Des vitesses d'échappement pouvant atteindre 10 600 km / s sont estimées, ce qui est bien au-delà de la vitesse des fusées conventionnelles. De plus, la technologie a été étudiée de manière approfondie au cours des dernières décennies et de nombreuses propositions ont été faites.
Par exemple, entre 1973 et 1978, la British Interplanetary Society a mené une étude de faisabilité connue sous le nom de Projet Daedalus. S'appuyant sur les connaissances actuelles de la technologie de fusion et des méthodes existantes, l'étude a appelé à la création d'une sonde scientifique sans pilote à deux étages effectuant un voyage vers l'étoile de Barnard (à 5,9 années-lumière de la Terre) en une seule vie.
La première étape, la plus grande des deux, fonctionnerait pendant 2,05 ans et accélérerait le vaisseau spatial à 7,1% de la vitesse de la lumière (o.071 c). Cette étape serait alors larguée, à quel point la deuxième étape allumerait son moteur et accélérerait le vaisseau spatial jusqu'à environ 12% de la vitesse de la lumière (0,12 c) sur une période de 1,8 an. Le moteur du deuxième étage serait alors arrêté et le navire entrerait dans une période de croisière de 46 ans.
Selon les estimations du projet, il faudrait 50 ans à la mission pour atteindre Barnard’s Star. Ajusté pour Proxima Centauri, le même engin pourrait faire le voyage en 36 années. Mais bien sûr, le projet a également identifié de nombreuses pierres d'achoppement qui ont rendu impossible l'utilisation de la technologie actuelle - dont la plupart sont encore en suspens.
Par exemple, il y a le fait que l'hélium-3 est rare sur Terre, ce qui signifie qu'il devrait être extrait ailleurs (très probablement sur la Lune). Deuxièmement, la réaction qui entraîne l'engin spatial nécessite que l'énergie libérée dépasse largement l'énergie utilisée pour déclencher la réaction. Et tandis que les expériences ici sur Terre ont dépassé le «seuil de rentabilité», nous sommes encore loin des types d'énergie nécessaires pour alimenter un vaisseau spatial interstellaire.
Troisièmement, il y a le facteur de coût pour la construction d'un tel navire. Même selon la norme modeste de l’engin sans pilote du Projet Daedalus, un engin entièrement alimenté pèserait jusqu’à 60 000 Mt. Pour mettre cela en perspective, le poids brut du SLS de la NASA est un peu plus de 30 Mt, et un seul lancement est livré avec un prix de 5 milliards de dollars (basé sur des estimations faites en 2013).
En bref, une fusée à fusion ne serait pas seulement d'un coût prohibitif à construire; cela exigerait également un niveau de technologie de réacteur à fusion qui est actuellement au-dessus de nos moyens. Icarus Interstellar, une organisation internationale de scientifiques citoyens volontaires (dont certains ont travaillé pour la NASA ou l'ESA) ont depuis tenté de revitaliser le concept avec le projet Icarus. Fondé en 2009, le groupe espère rendre la propulsion par fusion (entre autres) réalisable dans un avenir proche.
Fusion Ramjet:
Également connu sous le nom de Bussard Ramjet, cette forme théorique de propulsion a été proposée pour la première fois par le physicien Robert W. Bussard en 1960. Fondamentalement, il s'agit d'une amélioration par rapport à la fusée à fusion nucléaire standard, qui utilise des champs magnétiques pour compresser l'hydrogène au point que la fusion se produit. Mais dans le cas du Ramjet, un énorme entonnoir électromagnétique «récupère» l'hydrogène du milieu interstellaire et le jette dans le réacteur comme combustible.
Au fur et à mesure que le navire accélère, la masse réactive est forcée dans un champ magnétique progressivement rétréci, le comprimant jusqu'à ce que la fusion thermonucléaire se produise. Le champ magnétique dirige ensuite l'énergie sous forme de gaz d'échappement de fusée à travers une buse de moteur, accélérant ainsi le navire. Sans aucun réservoir de carburant pour l'alourdir, un statoréacteur à fusion pourrait atteindre des vitesses approchant 4% de la vitesse de la lumière et voyager n'importe où dans la galaxie.
Cependant, les inconvénients potentiels de cette conception sont nombreux. Par exemple, il y a le problème de la traînée. Le navire s'appuie sur une vitesse accrue pour accumuler du carburant, mais comme il entre en collision avec de plus en plus d'hydrogène interstellaire, il peut également perdre de la vitesse - en particulier dans les régions plus denses de la galaxie. Deuxièmement, le deutérium et le tritium (utilisés dans les réacteurs à fusion ici sur Terre) sont rares dans l'espace, tandis que la fusion de l'hydrogène ordinaire (qui est abondant dans l'espace) est au-delà de nos méthodes actuelles.
Ce concept a été largement popularisé dans la science-fiction. L’exemple le plus connu est peut-être celui de la franchise de Star Trek, où les «collecteurs Bussard» sont les nacelles incandescentes des moteurs de chaîne. Mais en réalité, notre connaissance des réactions de fusion doit progresser considérablement avant qu'un statoréacteur ne soit possible. Nous devions également comprendre ce problème de traînée embêtante avant de commencer à envisager de construire un tel navire!
Voile laser:
Les voiles solaires ont longtemps été considérées comme un moyen rentable d'explorer le système solaire. En plus d'être relativement facile et bon marché à fabriquer, il y a l'avantage supplémentaire des voiles solaires ne nécessitant aucun carburant. Plutôt que d'utiliser des fusées qui nécessitent du propulseur, la voile utilise la pression de rayonnement des étoiles pour pousser de grands miroirs ultra-minces à des vitesses élevées.
Cependant, dans l'intérêt du vol interstellaire, une telle voile devrait être entraînée par des faisceaux d'énergie focalisés (c'est-à-dire des lasers ou des micro-ondes) pour la pousser à une vitesse approchant la vitesse de la lumière. Le concept a été initialement proposé par Robert Forward en 1984, qui était alors physicien dans les laboratoires de recherche de Hughes Aircraft.
Le concept conserve les avantages d'une voile solaire, car il ne nécessite pas de carburant à bord, mais aussi du fait que l'énergie laser ne se dissipe pas avec la distance presque autant que le rayonnement solaire. Ainsi, alors qu'une voile entraînée par laser mettrait un certain temps à accélérer à des vitesses proches de la luminosité, elle ne serait limitée qu'à la vitesse de la lumière elle-même.
Selon une étude réalisée en 2000 par Robert Frisbee, directeur des études de concept de propulsion avancées au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, une voile laser pourrait être accélérée à la moitié de la vitesse de la lumière en moins d'une décennie. Il a également calculé qu'une voile d'environ 320 km (200 miles) de diamètre pourrait atteindre Proxima Centauri en un peu plus de 12 ans. Pendant ce temps, une voile mesurant environ 965 km (600 miles) de diamètre arriverait en un peu moins de 9 années.
Cependant, une telle voile devrait être construite à partir de composites avancés pour éviter la fusion. Combiné avec sa taille, cela représenterait un joli sou! Pire encore, les frais occasionnés par la construction d'un laser suffisamment grand et puissant pour conduire une voile à la moitié de la vitesse de la lumière. Selon la propre étude de Frisbee, les lasers nécessiteraient un flux constant de 17 000 térawatts de puissance - près de ce que le monde entier consomme en une seule journée.
Moteur antimatière:
Les fans de science-fiction ont certainement entendu parler de l'antimatière. Mais dans le cas contraire, l'antimatière est essentiellement un matériau composé d'antiparticules, qui ont la même masse mais la charge opposée que les particules ordinaires. Un moteur d'antimatière, quant à lui, est une forme de propulsion qui utilise les interactions entre la matière et l'antimatière pour générer de l'énergie ou pour créer une poussée.
En bref, un moteur à antimatière implique des particules d'hydrogène et d'antihydrogène claquées ensemble. Cette réaction libère autant d'énergie qu'une bombe thermonucléaire, ainsi qu'une pluie de particules subatomiques appelées pions et muons. Ces particules, qui se déplaceraient à un tiers de la vitesse de la lumière, sont ensuite canalisées par une buse magnétique pour générer une poussée.
L'avantage de cette classe de fusée est qu'une grande partie de la masse restante d'un mélange matière / antimatière peut être convertie en énergie, ce qui permet aux roquettes à antimatière d'avoir une densité d'énergie et une impulsion spécifique beaucoup plus élevées que toute autre classe de fusée proposée. De plus, contrôler ce type de réaction pourrait pousser une fusée jusqu'à la moitié de la vitesse de la lumière.
Livre pour livre, cette classe de navires serait la plus rapide et la plus économe en carburant jamais conçue. Alors que les fusées conventionnelles nécessitent des tonnes de carburant chimique pour propulser un vaisseau spatial vers sa destination, un moteur antimatière pourrait faire le même travail avec seulement quelques milligrammes de carburant. En fait, l'annihilation mutuelle d'une demi-livre de particules d'hydrogène et d'antihydrogène libérerait plus d'énergie qu'une bombe à hydrogène de 10 mégatonnes.
C’est pour cette raison exacte que NASA L'Institut des concepts avancés (NIAC) a étudié la technologie en tant que moyen possible pour les futures missions sur Mars. Malheureusement, lorsque l'on envisage des missions vers des systèmes stellaires à proximité, la quantité de carburant nécessaire pour effectuer le voyage est multipliée de façon exponentielle, et le coût de sa production serait astronomique (sans jeu de mots!).
Selon un rapport préparé pour la 39e conférence et exposition conjointes AIAA / ASME / SAE / ASEE (également par Robert Frisbee), une fusée antimatière à deux étages aurait besoin de plus de 815 000 tonnes métriques (900 000 tonnes américaines) de carburant pour faire le voyage. à Proxima Centauri dans environ 40 ans. Ce n'est pas mal, en ce qui concerne les délais. Mais encore une fois, le coût…
Alors qu'un seul gramme d'antimatière produirait une quantité incroyable d'énergie, on estime que la production d'un seul gramme nécessiterait environ 25 millions de milliards de kilowattheures d'énergie et coûterait plus d'un billion de dollars. À l'heure actuelle, la quantité totale d'antimatière créée par l'homme est inférieure à 20 nanogrammes.
Et même si nous pouvions produire de l'antimatière à bon marché, vous auriez besoin d'un énorme navire pour contenir la quantité de carburant nécessaire. Selon un rapport du Dr Darrel Smith & Jonathan Webby de la Embry-Riddle Aeronautical University en Arizona, un vaisseau interstellaire équipé d'un moteur antimatière pourrait atteindre 0,5 de la vitesse de la lumière et atteindre Proxima Centauri en un peu plus de 8 années. Cependant, le navire lui-même pèserait 400 tonnes métriques (441 tonnes américaines) et aurait besoin de 170 tonnes métriques (187 tonnes américaines) de carburant antimatière pour effectuer le voyage.
Un moyen possible de contourner ce problème consiste à créer un récipient capable de créer de l'antimatière qu'il pourrait ensuite stocker comme combustible. Ce concept, connu sous le nom de système d'explorateur interstellaire de fusée à vide à antimatière (VARIES), a été proposé par Richard Obousy d'Icare Interstellar. Basé sur l'idée du ravitaillement in situ, un navire VARIES s'appuierait sur de grands lasers (alimentés par d'énormes panneaux solaires) qui créeraient des particules d'antimatière lorsqu'ils seraient tirés dans un espace vide.
Tout comme le concept Ramjet, cette proposition résout le problème du transport de carburant en l'exploitant depuis l'espace. Mais encore une fois, le simple coût d'un tel navire serait prohibitif en utilisant la technologie actuelle. De plus, la capacité de créer de l'antimatière en grandes quantités n'est pas quelque chose que nous avons actuellement le pouvoir de faire. Il y a aussi la question du rayonnement, car l'annihilation matière-antimatière peut produire des explosions de rayons gamma de haute énergie.
Cela présente non seulement un danger pour l'équipage, nécessitant un blindage contre les radiations importantes, mais nécessite également que les moteurs soient blindés pour garantir qu'ils ne subissent pas de dégradation atomique de tous les rayonnements auxquels ils sont exposés. Donc, en fin de compte, le moteur antimatière est complètement impraticable avec notre technologie actuelle et dans l'environnement budgétaire actuel.
Alcubierre Warp Drive:
Les amateurs de science-fiction connaissent sans doute aussi le concept d'un lecteur Alcubierre (ou «Warp»). Proposée par le physicien mexicain Miguel Alcubierre en 1994, cette méthode proposée était une tentative de rendre le voyage FTL possible sans violer la théorie d'Einstein de la relativité restreinte. En bref, le concept implique d'étirer le tissu de l'espace-temps dans une vague, ce qui entraînerait théoriquement la contraction de l'espace devant un objet et l'expansion de l'espace derrière lui.
Un objet à l'intérieur de cette vague (c'est-à-dire un vaisseau spatial) serait alors capable de surfer sur cette vague, connue sous le nom de «bulle de distorsion», au-delà des vitesses relativistes. Le vaisseau ne se déplaçant pas à l'intérieur de cette bulle mais étant transporté au fur et à mesure qu'il se déplace, les règles de l'espace-temps et de la relativité cesseraient de s'appliquer. La raison en est que cette méthode ne repose pas sur un déplacement plus rapide que la lumière au sens local.
Il est seulement «plus rapide que la lumière» dans le sens où le navire pourrait atteindre sa destination plus rapidement qu'un faisceau de lumière qui se déplaçait à l'extérieur de la bulle de distorsion. En supposant donc qu'un vaisseau spatial puisse être équipé d'un système Alcubierre Drive, il serait en mesure de se rendre à Proxima Centauri en moins de 4 ans. Ainsi, en ce qui concerne le voyage spatial interstellaire théorique, c'est de loin la technologie la plus prometteuse, au moins en termes de vitesse.
Naturellement, le concept a reçu sa part de contre-arguments au fil des ans. Le principal d'entre eux est le fait qu'il ne prend pas en compte la mécanique quantique et pourrait être invalidé par une théorie de tout (comme la gravité quantique en boucle). Les calculs sur la quantité d'énergie requise ont également indiqué qu'un lecteur de distorsion nécessiterait une quantité d'énergie prohibitive pour fonctionner. D'autres incertitudes incluent la sécurité d'un tel système, les effets sur l'espace-temps à la destination et les violations de causalité.
However, in 2012, NASA scientist Harold Sonny White announced that he and his colleagues had begun researching the possibility of an Alcubierre Drive. In a paper titled “Warp Field Mechanics 101“, White claimed that they had constructed an interferometer that will detect the spatial distortions produced by the expanding and contracting spacetime of the Alcubierre metric.
In 2013, the Jet Propulsion Laboratory published results of a warp field test which was conducted under vacuum conditions. Unfortunately, the results were reported as “inconclusive”. Long term, we may find that Alcubierre’s metric may violate one or more fundamental laws of nature. And even if the physics should prove to be sound, there is no guarantee it can be harnessed for the sake of FTL flight.
In conclusion, if you were hoping to travel to the nearest star within your lifetime, the outlook isn’t very good. However, if mankind felt the incentive to build an “interstellar ark” filled with a self-sustaining community of space-faring humans, it might be possible to travel there in a little under a century if we were willing to invest in the requisite technology.
But all the available methods are still very limited when it comes to transit time. And while taking hundreds or thousands of years to reach the nearest star may matter less to us if our very survival was at stake, it is simply not practical as far as space exploration and travel goes. By the time a mission reached even the closest stars in our galaxy, the technology employed would be obsolete and humanity might not even exist back home anymore.
So unless we make a major breakthrough in the realms of fusion, antimatter, or laser technology, we will either have to be content with exploring our own Solar System or be forced to accept a very long-term transit strategy…
We have written many interesting articles about space travel here at Space Magazine. Here’s Will We Ever Reach Another Star?, Warp Drives May Come With a Killer Downside, The Alcubierre Warp Drive, How Far Is A Light Year?, When Light Just Isn’t Fast Enough, When Will We Become Interstellar?, and Can We Travel Faster Than the Speed of Light?
For more information, be sure to consult NASA’s pages on Propulsion Systems of the Future, and Is Warp Drive Real?
And fans of interstellar travel should definitely check out Icarus Interstellar and the Tau Zero Foundation websites. Keep reaching for those stars!
