Une vue d'artiste de la voile photonique propulsée par des faisceaux laser et issue du projet Breakthrough Starshot. Elle emporte une sonde miniaturisée, équipée d'un générateur électrique minuscule contenant un radio-isotope et qui alimentera une source laser tout aussi minuscule. La voile recevant la poussée laser en provenance de la Terre servira donc aussi d'antenne pour réémettre en direction de notre planète les images et les données que la sonde aura collectées lors de son bref passage (une heure seulement !) dans le système stellaire d'Alpha du Centaure. Le projet prévoit un grand nombre de sondes car, à une telle vitesse, les chocs avec les grains de poussières interplanétaires et interstellaires pourraient être fatals. © Breakthrough Starshot

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Une sonde interstellaire aurait bien des problèmes à résoudre pour atteindre Proxima b

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Une sonde interstellaire pourra-t-elle atteindre une exoplanète au cours du XXIe siècle ? Peut-être grâce au projet Breakthrough Starshot. Mais, tout comme la sonde envisagée dans les années 1970 dans le projet Daedalus, elle devra surmonter plusieurs obstacles, comme l'effet des rayons cosmiques sur son électronique et celui des collisions avec les poussières et les grains interstellaires. Une solution existe...

Malheureusement pour les fans de science-fiction, les voyages interplanétaires à longue distance, et bien plus encore les explorations interstellaires, sont tout sauf simples. L'une des raisons en est la présence des rayons cosmiques, pour les organismes vivants mais aussi pour les composants électroniques. Même des super IA aux commandes de vaisseaux interstellaires devront s'en protéger.

C'est pour cette raison que les ingénieurs de l'aérospatiale développent depuis longtemps l'électronique durcie. Il s'agit de rendre les composants électroniques résistants aux rayonnements ionisants du vent solaire et des ceintures de Van Allen, notamment les fameux électrons tueurs. En effet, des particules chargées de hautes énergies peuvent amplifier le bruit électronique dans les circuits, qu'ils soient analogiques ou numériques, ce qui fausse l'exécution de certains programmes par exemple. De plus, elles peuvent aussi endommager ces circuits (le problème existe sur Terre dans les réacteurs nucléaires ou pour les militaires qui voudraient opérer sur un champ de bataille où vient d'exploser une arme atomique).

Des transistors autoréparateurs sont testés sur cette puce pour son « radiodurcissement ». © Yang-Kyu Choi

Une nanosonde interstellaire qui se répare elle-même

Ce problème n'a pas échappé aux ingénieurs en train de se pencher sur la conception de la sonde interstellaire proposée en avril 2016 par les membres du projet Breakthrough Starshot. Lancé par le milliardaire russe Yuri Milner avec l'appui médiatique de Stephen Hawking, ce projet consiste à propulser à 20 % de la vitesse de la lumière, à l'aide de lasers, une voile solaire équipée d'une puce électronique en direction de Proxima du Centaure, dont on sait qu'elle possède au moins une exoplanète. La miniaturisation permet d'envisager que cette puce se comporte comme une sonde capable de collecter des images et des informations pour les renvoyer en direction de la Terre.

Cependant, des membres de la Nasa et du Korea Institute of Science and Technology (KASIT) en Corée du Sud sont arrivés à la conclusion que le radiodurcissement de cette puce soulève un sérieux problème. On pourrait tenter de le contourner en lançant la sonde interstellaire sur une trajectoire minimisant son exposition aux rayons cosmiques. Mais le voyage serait alors trop long. De même, un bouclier alourdirait la sonde interstellaire, rendant plus problématique une accélération pour atteindre une fraction importante de la vitesse de la lumière.

Il existe pourtant une solution, semble-t-il. On peut imaginer que la puce puisse se réparer elle-même. En effet, une partie des dommages envisagés se situent dans la couche de dioxyde de silicium de la puce et prennent la forme d'accumulations graduelles de défauts dans le réseau cristallin qui se comportent comme des charges positives, dégradant les performances. Or, il est possible de réduire ces charges en chauffant cette couche. Il faut pour cela des courants électriques adéquats. De fait, des tests en laboratoire ont montré que ce procédé peut rétablir les performance des mémoires Flash environ dix mille fois, et même jusqu'à mille milliards de fois pour des mémoires DRam.

Les chercheurs proposent donc de construire une puce dotée de ce dispositif d'autoréparation qui se mettrait en marche périodiquement au bout de quelques années afin d'assurer que la puce ne deviennent pas hors service avant d'arriver à bon port.

Pour en savoir plus

Une sonde interstellaire atteindra-t-elle l'exoplanète Proxima b ?

Article de Laurent Sacco publié le 01/09/2016

La découverte de Proxima b relance les espoirs de pouvoir atteindre une exoplanète avec une sonde interstellaire au cours du XXIe siècle. Celle du projet Breakthrough Starshot est la plus crédible mais, tout comme celle envisagée dans les années 1970 avec le projet Daedalus, elle doit surmonter l'obstacle des collisions avec les poussières et les grains interstellaires.

L'attrait du concept de voyage interstellaire n'a fait que grandir pendant le XXe siècle. Mais il faut bien avouer que le mur de la vitesse de la lumière, et les quantités d'énergies énormes qu'il faut dépenser pour l'atteindre avec un vaisseau capable d'emporter des humains pendant des années, s'avèrent redoutables. On a bien sûr tenté de contourner ces obstacles en se basant sur le concept de trou de ver, comme l'illustre bien le film Interstellar. Cependant, cela supposait une physique que les expériences au LHC n'ont pas confirmée.

Sans aller jusqu'à tabler sur l'existence d'une physique aussi exotique, il reste tout de même des possibilités pour explorer le monde des étoiles, au moins avec des sondes interstellaires. C'est d'ailleurs très certainement possible si le concept de super IA conscientes s'avère plus que de la science-fiction.

Un des plus célèbres et des plus crédibles projets de sonde interstellaire a d'ailleurs déjà vu le jour au début des années 1970. Il s'agissait du projet Daedalus (« Dédale » en français) dont l'étude a été menée de 1973 à 1978 par la fameuse British Interplanetary Society, dont Arthur Clarke a été le secrétaire. Il s'agissait de construire, probablement vers la fin de la seconde moitié du XXIe siècle, une sonde interstellaire dotée d'une intelligence artificielle (IA) pesant plus de 50.000 tonnes et propulsée par des explosions thermonucléaires à presque 10 % de la vitesse de la lumière.

La moindre collision peut être une bombe

Son objectif initial était l'étoile de Barnard, à 5,9 années-lumière de la Terre, où l'on suspectait la présence d'une exoplanète (ce n'est plus le cas aujourd'hui). Le voyage devait donc durer presque 60 ans avec un aller simple et aucun arrêt, par manque de carburant pour freiner.

De nombreux problèmes technologiques devaient être surmontés pour un tel projet. L'un d'entre eux est simple à comprendre : à presque 10 % de la vitesse de la lumière, une collision entre le Daedalus et un petit caillou de seulement 1 g dans le Système solaire, ou le milieu interstellaire, produirait (en raison de l'énergie cinétique relative) une explosion équivalente à celle de 150 tonnes de TNT.

Pour s'en protéger, un autre petit vaisseau placé en avant du Daedalus devait entretenir un nuage de poussières. Là encore, l'énergie libérée lors d'un choc était si grande qu'elle était en mesure de vaporiser des débris que la sonde pouvait rencontrer sur son passage. Pour des poussières interstellaires, un bouclier en béryllium en proue du Daedalus devait faire l'affaire, bien que s'abrasant à chaque choc.

Cette simulation vidéo offre un voyage à 20 % de la vitesse de la lumière vers Proxima du Centaure, l’étoile la plus proche de la Terre. Là, nous pouvons voir la planète Proxima b, dont l’orbite autour de son étoile – une naine rouge – dure 11,2 jours. Cette planète se situe dans la zone habitable, ce qui signifie que de l’eau liquide peut exister à sa surface. © PHL @ UPR Arecibo, ESO. Music by Lyford Rome

Ce problème, la sonde interstellaire à l'étude dans le cadre du projet Breakthrough Starshot allait aussi y être confrontée. Rappelons que ce projet a été révélé lors d'une conférence retransmise en direct sur le Web le mardi 12 avril 2016 par le milliardaire d'origine russe Yuri Milner en compagnie de Stephen Hawking. Il s'agissait de concrétiser une idée lancée il y a des décennies en profitant des progrès dans les technologies de la miniaturisation qui permettaient d'envisager la construction presque dès maintenant d'une sonde beaucoup plus petite, bien moins massive et nécessitant infiniment moins d'énergie à destination, cette fois-ci, du système d'Alpha du Centaure. La charge utile de la sonde pouvait ne peser que quelques grammes, et donc être tractée par une voile photonique propulsée par des rayons laser envoyés depuis la Terre. On pouvait, de cette manière, atteindre théoriquement 20 % de la vitesse de la lumière.

La récente découverte de l'exoplanète Proxima b autour de l'étoile la plus proche du Soleil, Proxima du Centaure (l'existence de celle que l'on pensait avoir détectée autour d'une des étoiles d'Alpha du Centaure a été mise en doute depuis) a rendu le projet Breakthrough Starshot encore plus attrayant. Mais celui-ci allait-il pouvoir s'adapter à la contrainte que fait peser la matière dans le milieu interstellaire ? Une étude faite par l'un des chercheurs à la tête du projet, le célèbre astrophysicien Avi Loeb de l'université Harvard, en compagnie de quelques collègues, apporte des éléments de réponse. On peut les trouver en détail dans un article sur arXiv.

Un bouclier protecteur en graphite contre les poussières interstellaires

Selon les chercheurs, à 20 % de la vitesse de la lumière, une collision entre la sonde, de la taille d'une puce électronique, et un grain de poussière d'une taille supérieure à un centième de millimètre suffirait à détruire l'appareil. Heureusement, les observations semblent indiquer que les poussières interstellaires sont majoritairement d'une taille nettement plus petite.

Reste que des collisions nombreuses se produiront, qui formeront des cratères à la surface de la sonde, vaporisant également le matériau qui la constitue (il est fait principalement de quartz et de graphite). Jusqu'à 30 % de la sonde pourrait ainsi être détruite si l'on ne prend pas garde à optimiser sa forme pour réduire le nombre de collisions frontales. Comme dans le cas du Daedalus, on peut imaginer une couche de matière, mais de graphite cette fois-ci, destinée à s'éroder tout en protégeant l'électronique de la sonde qui devrait permettre de prendre des images des éventuelles exoplanètes présentes autour de son étoile cible.

Dans le cas de la voile, le problème ne se pose quasiment pas car celle-ci n'est destinée à recevoir la pression du rayonnement laser qu'au tout début de son voyage (en effet, la sonde atteindra sa vitesse de croisière très rapidement). Elle pourrait donc être rétractée, mais cela impose tout de même de concevoir une sonde un peu plus massive et plus large que dans le cahier des charges initial.

Reste que, pour le moment, selon Loeb, la poussière interstellaire ne devrait pas être un obstacle insurmontable pour le projet de Yuri Milner. On peut quand même penser que plusieurs sondes devront être lancées pour assurer le succès de la mission.