Une vue d'artiste d'une voile photonique. © Giovanni, Adobe Stock
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Des voiles photoniques optimisées pour l'exploration de Proxima du Centaure et ses planètes

ActualitéClassé sous :Astronautique , voile solaire , exploration spatiale

Les études se poursuivent concernant une voile photonique propulsée par des rayons laser sur Terre et à destination d'une des étoiles du système triple d'Alpha du Centaure. La voile emporterait avec elle une sonde interstellaire photographiant de près des exoplanètes avant la fin du XXIe siècle.

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[EN VIDÉO] Kézako : comment une voile solaire peut-elle propulser un vaisseau spatial ?  Dans l'espace, une surface suffisamment grande peut être poussée par les photons du Soleil. C'est le principe de la voile solaire, testé avec succès en juin 2015 par la Planetary Society. Un système audacieux qu'Unisciel et l’université de Lille 1 nous expliquent au cours de cet épisode de Kézako. 

On se souvient qu'en 2016, pour célébrer le 55e anniversaire du vol de Youri Gagarine le 12 avril 1961, le milliardaire russe Youri Milner avait annoncé - avec le soutien de Stephen Hawking - qu'il lançait un projet de sonde interstellaire : le projet Breakthrough Starshot. Il s'agissait de commencer l'étude d'une nanovoile photonique propulsée par des faisceaux laser à destination des étoiles les plus proches du Soleil, dans le système d'Alpha du Centaure.

On sait que ce système stellaire est triple et qu'il existe des exoplanètes autour de Proxima Centauri, c'est-à-dire Alpha du Centaure C encore appelée α Centauri C. La sonde atteignant une fraction notable de la vitesse de la lumière aurait tout de même le temps de prendre des photos rapprochées de ces exoplanètes et de les renvoyer ensuite sur Terre. Rejoindre le système d'Alpha du Centaure ne prendrait qu'environ 20 ans à l'aide d'une voile photonique tractant une sonde de quelques grammes tout au plus et propulsée par des rayons laser envoyés depuis la Terre. Le principe est donc l'analogue de celui déjà expérimenté de la voile solaire, propulsée par les rayons du Soleil. Il faudrait pas loin de 80.000 ans avec une sonde propulsée initialement avec des moteurs-fusées classiques pour franchir le gouffre d'environ 4 années-lumière séparant le système triple d'Alpha du Centaure du Système solaire.

Une vidéo de présentation du projet Starshot. Des antennes émettant des ondes laser dont la puissance égale celle d'un décollage d'une navette spatiale, forment un réseau de taille kilométrique. Concentrant leurs faisceaux, elles émettent une impulsion par jour à destination d'une ou plusieurs voiles photoniques de quelques mètres d'envergure. La pression de radiation accélérera la voile, capable de lui faire atteindre assez rapidement une vitesse de l'ordre de 20 % de celle de la lumière si la sonde et la voile pèsent moins de 10 grammes. Un essaim de telles sondes partirait d'ici 20 ans en direction d'Alpha du Centaure. Leur nombre permettrait de s'assurer que l'une d'elles arrive à bon port malgré des chocs possibles avec des grains de poussière. © Euronews, YouTube

Une voile photonique qui ne doit ni se déchirer ni fondre

Les études concernant la sonde et la voile qui l'emporterait vers les étoiles se sont poursuivies et deux papiers ont été récemment publiés proposant de modifier quelque peu le concept initial de voile photonique envisagé. Elle doit supporter la pression de radiation des faisceaux laser et ceux-ci doivent produire, dans le futur, pour assurer le succès de la mission interstellaire un flux d'énergie des millions de fois plus intense que celui du Soleil et que l'on a déjà utilisé pour des expériences comme celle de la voile solaire Ikaros (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun). Cette mission japonaise de la Jaxa, l'équivalent de la Nasa ou de l'ESA, a été lancée en 2010 et elle a été très réussie.

Or, la voile photonique qui doit supporter la pression des photons laser pendant 20 ans a une taille d'environ trois mètres pour une épaisseur mille fois plus fine que celle d'une feuille de papier.

Les chercheurs, auteurs de deux articles publiés dans Nano Letters, expliquent dans le premier qu'il faut que la voile photonique construite à partir d'une feuille ultrafine d'oxyde d'aluminium et de bisulfure de molybdène se gonfle sous le souffle de la lumière en adoptant la forme d'un parachute, plutôt que de rester plate comme le supposaient la plupart des recherches précédentes. La structure devrait être courbée de façon qu'elle soit presque aussi profonde que large pour supporter sans se déchirer une pression capable de produire une accélération des milliers de fois supérieure à celle de la gravité terrestre.

Vue d'artiste du vaisseau spatial Starshot Lightsail pendant l'accélération par un réseau laser 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. © Masumi Shibata, Breakthrough Initiatives

Dans un second article, les mêmes chercheurs se sont occupés du problème de la résistance à l'échauffement produit par un faisceau laser au moins un million de fois plus puissant que le Soleil. Même une faible fraction de l'énergie dissipée dans la voile, si elle l'absorbe, pourrait la conduire à chauffer au point de fondre.

Pour éviter cela, la voile devra en fait adopter une structure en forme de grillage avec des trous régulièrement espacés en rapport avec la longueur d'onde des photons laser.

Reste à fabriquer cette voile et à la tester avec des lasers pour vérifier si les calculs et les raisonnements des chercheurs sont corrects.

Pour en savoir plus

L'exploration interstellaire se concrétise avec ce matériau très prometteur

Article de l'Observatoire de Paris publié le 23/08/2020

De la même manière que le vent gonfle les voiles du bateau, une voile photonique se propulse grâce à la pression exercée par la lumière. Voyager hors du Système solaire, qui ne serait plus qu'une banlieue de notre chère Planète, ne sera bientôt plus de la science-fiction mais une réalité. Comment ? Peut-être grâce à l'aérographite qui semble doté de propriétés adéquates pour concrétiser ce rêve. À partir de l'ISS, une telle voile solaire permettrait d'atteindre Mars en 60 jours de voyage et de s'échapper du Système solaire...

L’aérographite, une forme de carbone synthétisée pour la première fois en 2012, est un nouveau matériau constitué de nanotubes de carbone entremêlés. Il fait partie des matériaux connus les plus légers, avec une densité de seulement 180 grammes par mètre cube, soit une densité environ 7 fois plus faible que l'air que nous respirons (1225 g/m3). Son autre propriété remarquable est sa « noirceur », c'est-à-dire sa capacité à absorber presque parfaitement la lumière : moins d'un photon incident sur 1.000 est réfléchi.

Dans cet échantillon d'aérographite, la promesse de voyages interstellaires prodigieux. © R. Heller, MPS Göttingen

En route vers Alpha du Centaure

Ces deux propriétés en font un matériau idéal pour la conception de voiles photoniques : sa grande légèreté et sa capacité à absorber l'énergie des photons lui permettent d'accélérer de manière très efficace lorsqu'il est éclairé par la lumière. Cette lumière peut être celle d'un laser, comme dans le concept Breakthrough Starshot, ou simplement la lumière du Soleil comme dans cette étude.

L’aérographite serait-il le graal pour les prochaines voiles photoniques et pour découvrir d'autres espaces interstellaires ? © STS-129 Crew, Nasa, P. Kervella

Les astronomes ont ainsi calculé qu'une coquille sphérique de 1 mètre de diamètre et d'une épaisseur de 0,5 mm, lâchée depuis la Station spatiale internationale ISS, pourrait rejoindre la planète Mars en seulement 60 jours de voyage et Pluton en un peu plus de 4 ans, sans autre propulsion que la lumière du Soleil.

Du fait de sa très faible densité, une voile sphérique de 5 mètres de rayon et de 0,1 mm d'épaisseur pourrait même emporter une charge utile de 55 grammes à une vitesse suffisante pour s'échapper du Système solaire.

Une telle sonde serait un excellent précurseur pour une mission interstellaire à destination de notre proche voisine, Alpha Centauri, et de la planète tellurique située dans la zone habitable de la plus faible de ses trois étoiles composantes, Proxima Centauri b.

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