Auteur: Serge Boisse
Date: Le 01/04/2023 à 16:04
Type: web/MOC
Tags: technologie,espace,spatial,hypertechnologie
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Le voyage interstellaire est-il possible ?

Oui ! La preuve, Je vous propose ici une solution très astucieuse, qui utilise uniquement les connaissances physiques actuelles.

Le problème du voyage interstellaire

Les étoiles sont très loin ! La plus proche étoile (hormis le Soleil !), Alpha du Centaure, est à 4,3 années-lumière de nous, c'est à dire qu'elle est si loin que sa lumière met plus de quatre ans pour nous parvenir. Exprimé en kilomètres, cela représente quarante mille milliards de kilomètres, soit 107 millions de fois la distance Terre-Lune, ou encore a peu près deux cent mille fois la distance Terre-Mars. Et les autres étoiles sont encore plus loin...

Ainsi la sonde spatiale Voyager 2 (qui est devenue, après avoir été accélérée par Jupiter, l'objet le plus rapide fabriqué par l'humanité), à sa vitesse maxi de 40 km/s, mettrait 32 000 ans à atteindre alpha du Centaure qui est l'étoile la plus proche du Soleil. Précisons qu'elle ne se dirige pas vers elle.... Et vers aucune étoile proche en fait.

Pour arriver à faire un voyage vers une étoile proche, disons de 10 années lumière, dans des durées humainement raisonnables, disons vingt ans, il faudrait une vitesse moyenne de l'ordre de la moitié de celle de lumière, c'est à dire 150 000 km/s ou encore 540 millions de km/h. (Je néglige ici les effets relativistes, c'est à dire que je considère 20 ans de temps terrestre. Pour les occupants, la durée du voyage serait en fait légèrement réduite, soit 17,3 ans)

Effets relativistes

En effet, un intervalle de temps δt (lire : "delta-t") mesuré par une horloge dans le vaisseau correspond à un intervalle de temps δt0  mesuré sur terre selon la formule :
due à Lorentz. Dans cette formule, v est la vitesse du vaisseau, et c est la vitesse de la lumière.
Pour un vaisseau qui irait à la moitié de la vitesse de la lumière, v2 / c2= 1/4 et le facteur racine... vaut 0,866. On a donc 20 ans (sur terre) x 0,866 = 17,3 ans (dans le vaisseau)
Ceci dit, même si cet effet réduit le temps de voyage perçu par les occupants, ce n'est pas très intéressant pour nous terriens car ce qui nous intéresse c'est de pouvoir envoyer un vaisseau vers une autre étoile dans un temps acceptable pour nous !

La vitesse maxi des fusées : formule de Tsiolkovsky

Mais revenons à nos moutons. Alors, peut-on atteindre de telles vitesses avec des fusées (et pourquoi pas avec des fusées atomiques) ?
Aussi curieux que cela paraisse, la vitesse maximale que peut atteindre une fusée, ne dépend que de deux facteurs : la vitesse Ve d'éjection des gaz (ou particules)  émises par la tuyère, et le rapport entre la masse initiale mi du vaisseau et sa masse finale mf à l'arrivée. Eh, oui, quelle que soit l'architecture du moteur, le cycle de poussée retenu, le carburant, l'utilisation ou pas de l'énergie nucléaire, seuls ces trois facteurs sont nécessaires pour déterminer le "delta V", l'accroissement maximal de vitesse que peut atteindre une fusée à partir de sa vitesse initiale (0 en général). La formule de Tsiolkovsky (qui date de 1903) nous donne ce delta V :

 Delta_V = Ve. Log(mi / mf)

Par exemple pour une fusée chimique qui éjecte ses gaz à 3 km/s (soit Ve), et dont la masse serait constituée à 99% par du carburant (ce qu'on est loin de savoir faire), la masse finale n'est plus que 1% de la masse initiale, et on a delta_V = 3 x Log(100) = 13,81 km/s. Eh oui, seulement 50 000 km/h ! A peine mieux qu'Apollo. Ce n'est pas comme ça qu'on ira dans les étoiles !

Pour les fan de maths, cette formule se calcule très simplement à partir du principe de l'action et de la réaction, à partir de l'équation dv = Ve dm/m, qu'il suffit d'intégrer.

Donc pour qu'une fusée aille plus vite, il n'y a que deux solutions (on peut faire les deux à la fois d'ailleurs !)  :

• On arrive à augmenter Ve, c'est à dire qu'on augmente la pression dans la tuyère et donc l'énergie nécessaire, par exemple en trouvant un meilleur carburant,
• Ou on augmente le rapport mi/mf, ce qui revient à faire un vaisseau qui n'est qu'un gros réservoir (ce à quoi nos fusées actuelles ressemblent, d'ailleurs)

Bon, mais alors avec une fusée atomique, est-ce qu'on pourra y gagner ? Oui, mais seulement un peu : on peut utiliser l'énergie nucléaire en effet pour accélérer davantage les gaz en sortie. On peut espérer avec des fusées atomiques atteindre Ve = 10 km/s, mais c'est encore très insuffisant pour nos besoins. Une autre alternative est celle des moteurs ioniques : ces moteurs n'éjectent pas des gaz, mais des particules chargées (des ions), qui sont beaucoup plus rapides (29 km/s, voire 290 km/s pour le projet VASIMR). Mais on est très loin des 50 000 km/s qu'il nous faudrait pour aller vers les étoiles dans un délai raisonnable....

Il existe toutefois un moyen de sortir du cadre imposé par Konstantin Tsiolkovsky : récolter du carburant en plein espace. C'est possible avec ce que l'on appelle des Ramjet, des vaisseaux qui capturent au moyen de puissants champs magnétiques les particules qui les entourent et s'en servent pour se propulser. Le premier de ces vaisseaux à été conçu (sur le papier) par Robert Bussard dans les années 1975. pour capturer suffisamment de particules dans le quasi vide interstellaire, un ramjet a besoin d'un collecteur magnétique énorme, couvrant des milliers de kilomètres carrés. Je n'explorerai pas plus cette voie ici, mais je vous livre un dessin, c'est très joli :

Quant aux vaisseaux interstellaires "plus rapides que la lumière" de Star Wars et autres star trek... Il sont de la pure fiction ! Mais bon, je ne résiste pas à l'idée de vous en montrer un modèle 3D pas trop irréaliste : Et en plus il est interactif !

Le voyage à accélération constante

Les écrivains de science-fiction passent souvent outre aux limitations de Tsiolkovsky (Après tout, c'est leur droit), et ils leur arrive de décrire des vaisseaux qui (ont ne dit pas comment) accélèrent sous une accélération de 1g (l'équivalent de la pesanteur terrestre) pendant des mois. Or comme le savent tous les lycéens et étudiants en science, 1 g = 9,81 m.s-2 (lire : 9,81 mètres par seconde par seconde), c'est à dire qu'un tel vaisseau a une vitesse qui s'accroît de 9,81 m/s à chaque seconde. Pour arriver à la moitié de la vitesse de la lumière, un tel vaisseau mettrait donc un temps de 177 jours (et dix fois plus longtemps si l'accélération est d'un dixième de g, soit en gros 1 m.s-2) On pourrait se dire qu'il suffit de doubler ce temps pour atteindre la vitesse de la lumière... et même la dépasser. Mais c'est impossible ! En réalité le calcul  doit faire intervenir la relativité restreinte. Il est un peu compliqué, mais on pourra trouver les détails ici (sur le site de Benoit).

En résumé : La vitesse finale d'un vaisseau de masse au repos  m0 subissant une poussée F (donc une accélération "classique" F/m0) pendant un temps t (mesuré dans le vaisseau) sera : 
On voit que cette vitesse ne peut pas dépasser celle de la lumière (c), quel que soit t.
Du point de vue du point de départ (la Terre !), pour se rendre à une distance x, un tel vaisseau mettra un temps . Par exemple pour se rendre sur alpha du centaure (x = 4 1016 m) avec une accélération de 1  g (soit m0/F = 1/9,81 = 0,102) , le calcul "classique" donne t =  sqrt(2xm0/F) =  1045 jours. Mais le calcul relativiste ci-dessus donne 1864 jours, ce qui est bien plus long. Du point de vue des terriens, le vaisseau "peine" à accélérer lorsque il approche d'une vitesse proche de celle de la lumière. En fait, son inertie augmente vraiment à de telles vitesses ! Notons que notre vaisseau passe en trombe au large d'alpha du centaure, et qu'il lui faudrait en fait freiner à mi-parcours s'il entend explorer son système planétaire éventuel...

Les délires

Ils font appel à une nouvelle physique. Trous de vers, vaisseaux qui emportent avec eux leur propre espace-temps, utilisation d'univers parallèles... Tout ça n'est peut-être pas si délirant que ça en a l'air, mais c'est pas pour demain, et c'est peut-être pour jamais ! Non, il nous faut un truc plus solide. Alors, quoi ? Penchons-nous sur une technologie qui n'a pas été conçue pour aller dans les étoiles, mais qui, moyennant quelques coups de pouce et quelques idées....

Les voiliers de lumière

Les voiliers solaires sont des vaisseaux spatiaux qui se propulsent grâce à la pression de la lumière solaire. Il en existe déjà, et l'idée d'organiser une course de voiliers solaires vers la planète Mars est "dans l'air". Il ne manque que les sponsors ! Le voilier solaire typique est un véhicule très grand (1000 Km2 par exemple) et très léger (quelques dizaines de kilogrammes typiquement). il est formé essentiellement d'une grande "voile" de quelque microns d'épaisseur, en général en mylar. La "pression de radiation" du soleil pousse cette voile, avec une force très faible mais continue, et en l'orientant convenablement on pourrait se rendre n'importe où dans le système solaire (Et même plus près du soleil que la Terre : il suffit de ralentir la vitesse  de rotation autour du soleil).

Je ne résiste pas au plaisir de vous donner le détail du calcul de la force que subit une voile solaire :

L'impulsion p d'un photon de fréquence ν, donc d'énergie hν , donc de longueur d'onde λ = c/ν sur la voile est p = hν/c = h/λ
où h est la constante de Planck (6,6 10-34 Joules). Pour simplifier les calculs, supposons que le soleil n'émette pas tout un arc-en ciel de couleurs, mais seulement la couleur jaune-vert (λ = 500 nm) . On a donc p = 1,32 10-27 kg.m.s-1 et l'énergie Ep = hν d'un photon sera de 3,957 10-19 J

Notre soleil  a une puissance totale Es de 3,9x10^26 W. Il émet donc np = Es/Ep =  9,85 10^44 photons par seconde. Or la Terre se trouve à 149 millions de kilomètres du soleil. Tous ces photons se répartissent donc sur une sphère de même rayon R, dont la surface est S=4πR2 soit 2,79 10^23 m2. Ce qui nous fait au final une densité d = np/S = 3,53 1021 photons par mètre carré et par seconde. Un sacré paquet ! Mais chacun de ces photons transporte un impulsion minuscule : (le p ci dessus). L'impulsion reçue par un mètre carré de voile solaire sera donc i = p.d = 4,66 10^-6 kg.m-1.s-2  En d'autre termes, une voile de 1m2 pesant 4,66 milligrammes va accélérer à 1 m.s-2, soit l'environ un dixième de g. Si on veux accélérer une masse de 1 kg avec cette même accélération, la surface de la voile sevra être de 1/i =  214 456 m2, un carré de 463 m de coté (et pesant donc 1kg !). Cela demande des matériaux extrêmement légers, mais ce n'est pas utopique.

Vous pouvez apprendre à naviguer à la voile solaire ici.

Voilier interstellaire à laser

Évidemment, si on veut utiliser un voilier solaire pour se rendre dans un autre système stellaire, il y a un problème : l'énergie solaire diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne du soleil... et l'accélération devient complètement négligeable. Caramba, encore raté !

Mais tout n'est pas perdu : on peut remplacer le soleil ! Imaginons que l'on construise sur terre (ou Mieux : sur la Lune)  un laser très puissant et surtout très directif. C'est le faisceau de ce laser qui va pousser notre vaisseau jusqu'aux étoiles !

Voyons donc un peu : supposons que notre laser ait une puissance W (disons 100 megaWatts pour fixer les idées) Supposons qu'il soit assez bien focalisé pour arroser en permanence 100% de la voile même lorsque le vaisseau sera à des années lumières de la Terre (le calcul montre qu'il faudrait installer une lentille focalisatrice de près de 1km de diamètre quelque part entre Mars et Jupiter. Mais théoriquement, c'est possible).  Notre laser émet donc n=W/Ep = 2,5 1026 photons par seconde. Mais à la différence de ceux émis par le soleil, tous ces photons seront reçus par la voile ! Cela représente un flux lumineux cent mille fois plus intense que celui du soleil.  L'impulsion totale reçue par la voile est alors i = p.n = 0,33 kg.ms-1. Autrement dit, si notre voilier pèse 330 grammes au total, il va accélérer à 1 ms-2, soit environ un dixième de g, ce qui n'est pas si mal. Avec un laser mille fois plus puissant, on peut accélérer une sonde de 330 kg jusqu'aux étoiles !

Sauf que.. un laser de 100 Giga watts, c'est quand même un peu utopique (!). Mais attendez un peu. Il existe un moyen de multiplier par 1000 l'efficacité de la propulsion photonique (la propulsion par des photons) : faire en sorte que les photons servent plusieurs fois ! En munissant la sonde d'un miroir (très grand...) qui renverra les photons vers l'arrière, c'est à dire vers le laser installé sur la Lune.

Cela a déjà été démontré en laboratoire, sur terre. L'image ci-dessous montre un laser de 500 W, fournissant une poussée de 3,3 mN à un satellite "cubeSat". La puissance lumineuse dans la cavité est de 500 kW, donc un facteur d'amplification de 1000.

Donc il n'est pas impossible d'imaginer qu'on puisse propulser des sondes de 100 kg jusqu'aux étoiles.

A notre époque de miniaturisation avancée, on peut loger beaucoup de chose dans une telle masse. Mais d'ici vingt ans, à l'ère de la nanotechnologie, 100 kg seront plus qu'il en faut pour loger dans la sonde, en plus de la voile et de la charge utile, une chose encore plus utile : un ... canon.

De quoi ? Un canon ?

Oui. Un canon. Mais pas n'importe quel canon : un canon électromagnétique (railgun) capable de tirer un projectile minuscule, de la taille d'un grain de sable, à une vitesse extrême. Mais à quoi diable cela va-t-il servir ?

Souvenons-nous : le laser accélère le voilier interstellaire... Mais il ne peut pas le ralentir. Notre voilier va passer seulement quelques heures dans le système de l'étoile cible. Quel dommage !

Oui mais... si le canon tire vers l'arrière son minuscule projectile, à une vitesse quasi égale à celle du vaisseau, le projectile en question va se retrouver d'un coup immobilisé. Il pourra alors doucement tomber sur une planète du système. Comme il est tout petit, il n'aura pas le temps de s'échauffer trop en traversant l'atmosphère de cette planète. Il va donc se trouver quasi intact sur son sol, et là...

Jetons un oeil rapproché sur ce petit grain de sable. C'est un bijou de nanotechnologie : il est formé d'une coque très résistante qui englobe un petit noyau actif : un assembleur répliquant.

Miniaturiser : Nanotechnologie et robots réplicants

Un assembleur répliquant est un dispositif extrêmement petit, formé de quelques centaines de millions d'atomes seulement. ce dispositif contient un ordinateur complet, et un ensemble de "pinces" capables de manipuler individuellement les atomes.  L'ensemble permet, sous le contrôle de l'ordinateur, de fabriquer n'importe quel objet (un très petit objet quand même)... y compris une copie de lui même. Puis les deux assembleurs fabriquent à leur tour chacun deux copies. Puis quatre, huit, seize... En un rien de temps il y en a des millions puis des milliards, qui détruisent la coque qui les entourent et continuent de se reproduire à l'extérieur, en utilisant les matériaux locaux. Lorsque leur masse totale atteint quelque tonnes (ce qui prend moins de 24 heures), les ordinateurs qui les contrôlent toujours changent de programme, et les assembleurs commencent, ensemble, à fabriquer... tout ce que l'on veut. Notamment des véhicules qui partiront explorer la planète, une antenne radio géante qui enverra les résultats de l'exploration vers la Terre, et permettra le cas échéant de recevoir de nouvelles commandes. Et, voila, l'humanité dispose d'une mission automatique d'exploration du système de l'étoile cible !

Aller-retour

Mais on peut faire encore mieux : demander aux assembleurs de fabriquer un nouveau laser, qui servira à ralentir une autre voile solaire provenant de la Terre ! Cette fois, au lieu d'amener un minuscule grain de sable dans le système de l'étoile cible, c'est un vaisseau entier qu'on pourra y déposer !

La mission telle que je la propose

Pour emmener des charges utiles plus lourdes vers les étoiles, toutefois, et notamment pour y emmener un vaisseau habité, pesant des centaines de tonnes, les voiles solaires sont insuffisantes. Les puissances laser nécessaires seraient trop énormes. Mais souvenons-nous de la formule de Tsiolkovsky. Un laser sur Terre (ou sur la Lune) pourrait fournir à ce vaisseau l'énergie nécessaire pour qu'il accélère les charges qu'il projette vers l'arrière, et donc atteindre des Ve fantastiques. Il n'y a même plus besoin de nanotechnologie pour ce faire !

Conclusion : les étoiles sont à notre portée, dès maintenant !