Journal d'un terrien

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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.

vaisseau interstellaire

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 :


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

voilier solaireLes 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 3,9x1026 W. Il émet donc np = Es/Ep =  9,85 1044 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 1023 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 !

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, 330 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 !
<--Amusez vous...
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Commentaires (73) :

Page : [5] 

lapinos
Le 24/12/2010 à 05h41
Par la pensée on peut se deplacer d'un endroit à un autre plus vite que la lumière , j'avais lu un livre de Valerio Evangelisti qui decrivait un vaisseau qui utilisait cette particularité , mais bon son mode de fonctionnement n'était pas très clair :)
zeuslo
Le 21/08/2010 à 02h30
en courban l espace et e temps par un champ magnetique itense on peu surement voyager sur de grandes distances sans etre obliger de fabriquer des angins avec un mode de propulsion thermique,(exemple un generateur emfc ameliore )ou un generateur a fusion froide ,ce sera surement possible dans quelque siecles, ou demain

benhur
Le 03/06/2010 à 15h22
Si on considère la théorie de Jean Pierre Petit, il est fort possible de voyager à des vitesses impossible à atteindre par des moyens conventionnels. il suffirait juste de trouver le moyen de "basculer" de notre univers dans un univers dans lequel la vitesse de la lumière est, par rapport au notre, plus rapide. sans pour autant dépasser la vitesse de la lumière de l'univers de transite. puis de basculer dans notre univers une foie arrivé à destination. Cette approche semble quelque peu irréaliste ; pourtant cette théorie le sous entend. Je ne suis ni physicien ni mathématicien ; mais si ce modèle est valide il doit y avoir un moyen de calculer une convergence entre les univers.
mc2 mac ht
Le 30/04/2010 à 20h42
le seul moyen est d'envoyer un vaisseau a la vitesse de la lumiere grasse a l'anti matiere ,une capsule de vie ki ne subirais pas les effet de la vitesse 10000 km h ne representerais plus rien et c'est possible mais c trop long a expliquer
yodarod
Le 09/02/2010 à 16h46
j'adore le passage des "nano-grain de riz" qui peuvent se reproduire et fabriquer tout ce que l'on veut... une sorte de réplicateur associé à la matrice Azgarde pour les fan de stargate :D ouai sa serais cool ! ...



Personelement j'attend beaucoup des recherches menée au cern. Je pense que si le boson de Higgs se montre "enfin" sa va nous ouvrire des portes énorme et améliorer notre compréhension de la méchanique de l'univers de façon non négligeable remarquez si il ne se montre pas sa serais presque plus marrant encore ... vous nous voyer tout reconsidérer ??



En théorie avec 1 gramme d'antimatière (se qu'a l'heure actuelle nous sommes incapable de produire mais plus pour très longtemps...) nous pourrions créer une minuscule bulle de contraction espace temps qui nous permettrais d'y loger se que l'on veut un vaisseaux par exemple qui pourait atteindre dans ces conditions des vitesses .. démentiel ! ...



Le tout reste théorique mais n'en reste pas moins très intéressant... cette idée à été illustrée et mis en avant par un physicien (Van Den Broeck) dans les années 90... lui même convenant que son idée était très difficilement réalisable pour plein de raisons techniques notemment se procurer un gramme d'antimatière ... et même si la fabrication d'un moteur de distortion espace temps n'es pas si farfelue... il faudrais trouver un moyen de faire rentrer un vaisseaux ou je ne sais quoi dans cette bulle... c'est un peut comme de faire rentrer un petit bateaux maquettes dans une bouteille (j'ai jamais compris lol)



Quoi qu'il en soit je pense que si un jour on voyage vers d'autre systèmes solaire (voire galaxie ! ^--^) se serais plus-top par ce genre de technique.. depuis que cette idée à été émise... beaucoup de barrière techniques qui s'y opposaient sont déjà tombée... pour quand ? bien malin qui peut y répondre mais ça laisse entrevoir des possibilité incroyable.. une tel micro-bul pourait transporter un vaisseaux énorme à des vitesses nettement supérieur à la lumière. (théoriquement)



sa fait rèver tout ça... qui vivra verra ;)



Greet's



Yoda
rien de bien méchant
Le 17/01/2010 à 16h00
"ce n'est pas en révolutionnant la bougie que l'on a créé l'ampoule"(A.Einstein.) aussi tes formules ne sont que trop vielles pour être adaptées au technologies qui apparaitront.
val
Le 12/10/2009 à 15h56
nan nan
val
Le 12/10/2009 à 15h51
oui oui
goupil1er
Le 06/06/2009 à 19h50


Beaucoup mieux:

Voyage et hyperespace

http://www.futurinc.lautre.net/article.php3?id_article=86

léa
Le 12/04/2009 à 06h43
tout dépendra du sens de rotation du corps à explorer et de l'orrientation du vaisseau principlal or je n'ait pas vu comment on pouvait s'y prendre pour modifier la trajectoire du vaisseau principal .pourrais tu m'expliquer ?

léa
Le 12/04/2009 à 06h36
ha ,et pendant que j'y suit, phonon , c'est pourtant assés simple le truc du canon . quand t'es en bagnole et que tu balance un truc par la fenétre . le truc en question il avance avec la voiture ou il reste sur place . jusqu'aprésent je me suis encore jamais fait courser par un chwewing-gum que j'aurrais bazarder par la fenétre ( jusqu'aprésent ...o_O) . bah la c'est la méme chose les force extérieurs (frottement) en moins . tu as ton vaisseau principal qui passe au travers du systéme et qui au passage largue le grain de sable . le truc du canon c'est que dans l'espace qui est "vide" il n'y a pas de force de frotements pour commpenser le mouvement que l'on imprime au grainde sable . donc si tu te souvient de tes classes ,les lois de newton ne doivent t'etre étrangéres et donc tu sait qu'un mobile tend a pérsister dans son mouvement initial tant qu'il ne rencontre pas de force extérieure . or comme je te l'est déja dit l'espace est en quelque sorte "vide" ce qui permet de minimiser les forces de frotements. donc pour atteindre une situation d'équilibre soit pour stopper le mouvement du grain de sable il faut lui imprimer une force equivalente et dirrectement opposée au mouvement du vaisseau principal d'où l'utilisation du canon . jespére n'etre pas trop brouillonne . sinon il faudra demander à l'auteur de la page de t'expliquer . par contre "terrien" dit moi dans tes calcul tu n'a pas pris en compte l'atraction du corps à explorer ? ça serrait peut-etre plus judicieux , non ? parceque t'aurrais l'air malin si tu donnait de la vitesse suplémentaire à ton grain de sable qui serait déja attiré rapidement par le corps à explorer .BADABOUM. je voit d'ici un gros crash ...
léa
Le 12/04/2009 à 05h59
pas mal ,ça fait réver ! o fait ,juste comme ça ,comment tu accélererais tes ions ? parceque tes ions ,c'est pas que mais , ils ont pas de petites voiles en mylar gréffer sur le dos . et puis quels ions tu utiliserais ? des ions hydrogénes ?

pasque dans ce cas là , vu leur taille ,tu vas etre mal pour leur gréffer une voile ^_^. aller je rigole !j'imagine que tu comptes que se soit la surface de l'ion qui fasse voile alors il te faudrais un ions à la masse volumique (donc surfassique )hyper faible . comme tu a l'aire caller tu va pouvoir m'eclairer moi la petite scarabette. ce qui me viens dirrectement à moic'est l'hélium , mais screugneugneu c'est un gaz rare donc il ne perd ni ne gagne d'électrons ... alors alors que choisirais tu comme comburant ?
phonon
Le 31/10/2008 à 21h34
encore une fois un pb, un grain de sable a un rapport surface/volume bien plus important qu'un gros caillou, donc c'est le contraire il brule plus vite. En plus on comprend rien à cette histoire de canon qui fait reculer le truc bidule.
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