- Partie 1 -
Si vous utilisez la technologie existante, il faudra très, très longtemps pour envoyer des scientifiques et des astronautes en mission interstellaire. Le voyage sera douloureusement long (même selon les normes cosmiques). Si nous voulons faire un tel voyage dans au moins une vie, eh bien, ou une génération, nous avons besoin de mesures plus radicales (lire: purement théoriques). Et si les trous de ver et les moteurs de sous-espace sont absolument fantastiques en ce moment, il y a eu d'autres idées depuis de nombreuses années en lesquelles nous croyons.
Centrale nucléaire
Une centrale nucléaire est un «moteur» théoriquement possible pour un voyage spatial rapide. Le concept a été proposé à l'origine par Stanislaw Ulam en 1946, un mathématicien polono-américain qui a participé au projet Manhattan, et des calculs préliminaires ont été effectués par F. Reines et Ulam en 1947. Le projet Orion a été lancé en 1958 et a existé jusqu'en 1963.
Dirigé par Ted Taylor de General Atomics et le physicien Freeman Dyson de l'Institute for Advanced Study de Princeton, Orion exploiterait la puissance des explosions nucléaires pulsées pour fournir une énorme poussée avec une impulsion spécifique très élevée.
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En un mot, le projet Orion comprend un grand vaisseau spatial qui prend de la vitesse en soutenant des ogives thermonucléaires, en lançant des bombes derrière et en accélérant par une onde de souffle qui se propage dans un poussoir monté à l'arrière, un panneau d'hélices. Après chaque poussée, la force de l'explosion est absorbée par ce panneau et convertie en mouvement vers l'avant.
Bien que cette conception ne soit guère élégante par rapport aux normes modernes, l'avantage du concept est qu'elle fournit une poussée spécifique élevée - c'est-à-dire qu'elle extrait la quantité maximale d'énergie d'une source de carburant (dans ce cas, des bombes nucléaires) au moindre coût. De plus, ce concept peut théoriquement accélérer des vitesses très élevées, selon certaines estimations, jusqu'à 5% de la vitesse de la lumière (5,4 x 107 km / h).
Bien sûr, ce projet a des inconvénients inévitables. D'une part, un navire de cette taille serait extrêmement coûteux à construire. En 1968, Dyson a estimé que le vaisseau spatial Orion, propulsé par des bombes à hydrogène, pèserait entre 400 000 et 4 000 000 de tonnes métriques. Et au moins les trois quarts de ce poids proviendront des bombes nucléaires, chacune pesant environ une tonne.
L'estimation prudente de Dyson a montré que le coût total de la construction d'Orion aurait été de 367 milliards de dollars. Corrigé de l'inflation, ce montant est de 2,5 billions de dollars, ce qui est assez élevé. Même avec les estimations les plus prudentes, l'appareil sera extrêmement coûteux à fabriquer.
Il y a aussi un petit problème de rayonnement qu'il émettra, sans parler des déchets nucléaires. On pense que c'est la raison pour laquelle le projet a été annulé en vertu du traité d'interdiction partielle des essais de 1963, lorsque les gouvernements mondiaux ont cherché à limiter les essais nucléaires et à arrêter le rejet excessif de retombées radioactives dans l'atmosphère de la planète.
Fusées à fusion nucléaire
Une autre possibilité d'utiliser l'énergie nucléaire est les réactions thermonucléaires pour générer une poussée. Selon ce concept, l'énergie doit être créée par confinement inertiel allumant des pastilles d'un mélange de deutérium et d'hélium-3 dans une chambre de réaction utilisant des faisceaux d'électrons (similaire à ce qui se fait au National Ignition Complex en Californie). Un tel réacteur à fusion ferait exploser 250 pastilles par seconde, créant un plasma à haute énergie, qui serait ensuite redirigé dans une buse, créant une poussée.
A l'image d'une fusée reposant sur un réacteur nucléaire, ce concept présente des avantages en termes d'efficacité énergétique et d'impulsion spécifique. La vitesse estimée devrait atteindre 10 600 km / h, bien au-dessus des limites de vitesse des fusées conventionnelles. De plus, cette technologie a été largement étudiée au cours des dernières décennies et de nombreuses propositions ont été faites.
Par exemple, entre 1973 et 1978, la British Interplanetary Society a entrepris une étude de faisabilité pour le projet Daedalus. S'appuyant sur les connaissances et la technologie modernes de la fusion thermonucléaire, les scientifiques ont appelé à la construction d'une sonde scientifique sans pilote à deux étages qui pourrait atteindre l'étoile de Barnard (à 5,9 années-lumière de la Terre) au cours d'une vie humaine.
La première étape, la plus grande des deux, durerait 2,05 ans et accélérerait l'engin à 7,1% de la vitesse de la lumière. Ensuite, cette étape est abandonnée, la seconde est allumée et l'appareil accélère à 12% de la vitesse de la lumière en 1,8 an. Ensuite, le moteur du deuxième étage est éteint et le navire vole depuis 46 ans.
Le projet Daedalus estime qu'il faudrait 50 ans à la mission pour atteindre l'étoile de Barnard. Si à Proxima Centauri, le même navire atteindra dans 36 ans. Mais, bien sûr, le projet comprend de nombreux problèmes non résolus, en particulier insolubles avec l'utilisation des technologies modernes - et la plupart d'entre eux n'ont pas encore été résolus.
Par exemple, il n'y a pratiquement pas d'hélium-3 sur Terre, ce qui signifie qu'il devra être extrait ailleurs (très probablement sur la Lune). Deuxièmement, la réaction qui anime l'engin nécessite que l'énergie émise soit beaucoup plus grande que l'énergie dépensée pour déclencher la réaction. Et bien que les expériences sur Terre aient déjà dépassé le "seuil de rentabilité", nous sommes encore loin de la quantité d'énergie qui peut alimenter un véhicule interstellaire.
Troisièmement, il reste la question du coût d'un tel navire. Même selon les normes modestes d'un véhicule sans pilote du projet Daedalus, un véhicule entièrement équipé pèserait 60 000 tonnes. Juste pour que vous le sachiez, le poids brut du SLS de la NASA est d'un peu plus de 30 tonnes, et le lancement à lui seul coûtera 5 milliards de dollars (estimations 2013).
En bref, une fusée à fusion sera non seulement trop coûteuse à construire, mais elle nécessitera également un niveau de réacteur à fusion bien au-delà de nos capacités. Icarus Interstellar, une organisation internationale de scientifiques civils (dont certains ont travaillé pour la NASA ou l'ESA), tente de revitaliser le concept avec le projet Icarus. Le groupe réuni en 2009 espère rendre possible le mouvement fusion (et d'autres) dans un avenir prévisible.
Statoréacteur thermonucléaire
Également connu sous le nom de statoréacteur Bussard, le moteur a été proposé pour la première fois par le physicien Robert Bussard en 1960. À la base, il s'agit d'une amélioration par rapport à la fusée thermonucléaire standard, qui utilise des champs magnétiques pour comprimer l'hydrogène jusqu'au point de fusion. Mais dans le cas d'un statoréacteur, un énorme entonnoir électromagnétique aspire l'hydrogène du milieu interstellaire et le verse dans le réacteur comme combustible.
Au fur et à mesure que le véhicule prend de la vitesse, la masse réactive entre dans le champ magnétique de confinement, qui la comprime avant le début de la fusion. Le champ magnétique dirige ensuite l'énergie dans la buse de la fusée, accélérant le navire. Puisqu'aucun réservoir de carburant ne le ralentira, un statoréacteur thermonucléaire peut atteindre des vitesses de l'ordre de 4% de la lumière et aller n'importe où dans la galaxie.
Néanmoins, cette mission présente de nombreux inconvénients possibles. Par exemple, le problème du frottement. Le vaisseau spatial repose sur des taux de collecte de carburant élevés, mais il entrera également en collision avec de grandes quantités d'hydrogène interstellaire et perdra de la vitesse - en particulier dans les régions denses de la galaxie. Deuxièmement, il n'y a pas beaucoup de deutérium et de tritium (qui sont utilisés dans les réacteurs sur Terre) dans l'espace, et la synthèse de l'hydrogène ordinaire, qui est abondant dans l'espace, est encore hors de notre contrôle.
Cependant, la science-fiction a appris à aimer ce concept. L'exemple le plus célèbre est peut-être la franchise Star Trek, qui utilise les collectionneurs Bussard. En réalité, notre compréhension des réacteurs à fusion est loin d'être aussi parfaite que nous le souhaiterions.
Voile laser
Les voiles solaires ont longtemps été considérées comme un moyen efficace de conquérir le système solaire. En plus d'être relativement simples et bon marché à fabriquer, ils ont un gros plus: ils n'ont pas besoin de carburant. Au lieu d'utiliser des fusées qui ont besoin de carburant, la voile utilise la pression du rayonnement des étoiles pour propulser des miroirs ultra-minces à des vitesses élevées.
Cependant, dans le cas d'un vol interstellaire, une telle voile devrait être propulsée par des faisceaux d'énergie focalisés (laser ou micro-ondes) pour accélérer à une vitesse proche de la lumière. Le concept a été proposé pour la première fois par Robert Forward en 1984, physicien au Hughes Aircraft Laboratory.
Son idée conserve les avantages d'une voile solaire en ce qu'elle ne nécessite pas de carburant à bord, et aussi que l'énergie laser n'est pas dispersée sur une distance de la même manière que le rayonnement solaire. Ainsi, alors que la voile laser mettra un certain temps à accélérer à une vitesse proche de la lumière, elle ne sera par la suite limitée que par la vitesse de la lumière elle-même.
Selon une étude réalisée en 2000 par Robert Frisbee, directeur de la recherche avancée sur la propulsion au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, une voile laser atteindrait la moitié de la vitesse de la lumière en moins de dix ans. Il a également calculé qu'une voile d'un diamètre de 320 kilomètres pourrait atteindre Proxima Centauri en 12 ans. Pendant ce temps, une voile de 965 kilomètres de diamètre arrivera dans 9 ans seulement.
Cependant, une telle voile devra être construite à partir de matériaux composites avancés pour éviter la fusion. Ce qui sera particulièrement difficile compte tenu de la taille de la voile. Le coût est encore pire. Selon Frisbee, les lasers auront besoin d'un flux constant de 17 000 térawatts d'énergie - à peu près ce que le monde entier consomme en une journée.
Moteur antimatière
Les amateurs de science-fiction sont bien conscients de ce qu'est l'antimatière. Mais si vous avez oublié, l'antimatière est une substance composée de particules qui ont la même masse que les particules ordinaires, mais avec la charge opposée. Un moteur à antimatière est un moteur hypothétique qui s'appuie sur les interactions entre la matière et l'antimatière pour générer de l'énergie ou créer une poussée.
En bref, un moteur à antimatière utilise des particules d'hydrogène et d'antihydrogène qui se heurtent. L'énergie libérée lors du processus d'annihilation est comparable en volume à l'énergie de l'explosion d'une bombe thermonucléaire accompagnée d'un flux de particules subatomiques - pions et muons. Ces particules, qui voyagent à un tiers de la vitesse de la lumière, sont redirigées dans la buse magnétique et génèrent une poussée.
L'avantage de cette classe de fusées est que la plus grande partie de la masse du mélange matière / antimatière peut être convertie en énergie, ce qui fournit une densité d'énergie élevée et une impulsion spécifique supérieure à toute autre fusée. De plus, la réaction d'annihilation peut accélérer la fusée à la moitié de la vitesse de la lumière.
Cette classe de missiles sera la plus rapide et la plus économe en énergie possible (ou impossible, mais proposée). Si les fusées chimiques conventionnelles nécessitent des tonnes de carburant pour propulser un vaisseau spatial vers sa destination, un moteur à antimatière fera le même travail en utilisant quelques milligrammes de carburant. La destruction mutuelle d'un demi-kilogramme d'hydrogène et de particules d'antihydrogène libère plus d'énergie qu'une bombe à hydrogène de 10 mégatonnes.
C'est pour cette raison que l'Advanced Concepts Institute de la NASA étudie cette technologie comme possible pour de futures missions sur Mars. Malheureusement, lorsque l'on regarde des missions vers des systèmes stellaires proches, la quantité de carburant nécessaire augmente de façon exponentielle et les coûts deviennent astronomiques (et ce n'est pas un jeu de mots).
Selon un rapport préparé pour la 39e Conférence et exposition sur la propulsion conjointe AIAA / ASME / SAE / ASEE, une fusée à antimatière à deux étages nécessitera plus de 815000 tonnes de carburant pour atteindre Proxima Centauri dans 40 ans. C'est relativement rapide. Mais le prix …
Bien qu'un gramme d'antimatière produise une quantité incroyable d'énergie, produire un gramme à lui seul nécessiterait 25 millions de milliards de kilowattheures d'énergie et coûterait un billion de dollars. Actuellement, la quantité totale d'antimatière créée par les humains est inférieure à 20 nanogrammes.
Et même si nous pouvions produire de l'antimatière à bon marché, nous aurions besoin d'un énorme navire capable de contenir la quantité de carburant requise. Selon un rapport du Dr Darrell Smith et Jonathan Webby de l'Embry-Riddle Aviation University en Arizona, un vaisseau interstellaire propulsé par l'antimatière pourrait atteindre 0,5 vitesse de lumière et atteindre Proxima Centauri en un peu plus de 8 ans. Cependant, le navire lui-même pèserait 400 tonnes et nécessiterait 170 tonnes de carburant d'antimatière.
Une façon possible de contourner ce problème est de créer un vaisseau qui créera de l'antimatière, puis de l'utiliser comme carburant. Ce concept, connu sous le nom de système d'exploration interstellaire de fusée du vide à l'antimatière (VARIES), a été proposé par Richard Obausi d'Icare Interstellar. S'appuyant sur l'idée du retraitement sur place, le navire VARIES utiliserait de gros lasers (alimentés par d'énormes panneaux solaires) qui créent des particules d'antimatière lorsqu'ils sont tirés dans un espace vide.
Semblable au concept d'un statoréacteur thermonucléaire, cette proposition résout le problème du transport du carburant en l'extrayant directement de l'espace. Mais encore une fois, le coût d'un tel navire sera extrêmement élevé s'il est construit avec nos méthodes modernes. Nous ne pouvons tout simplement pas créer de l'antimatière à grande échelle. Le problème des rayonnements doit également être abordé, car l'annihilation de la matière et de l'antimatière produit des sursauts de rayons gamma à haute énergie.
Ils représentent non seulement un danger pour l'équipage, mais aussi pour le moteur, afin qu'ils ne se désagrègent pas en particules subatomiques sous l'influence de tout ce rayonnement. En bref, un moteur à antimatière est totalement irréalisable avec notre technologie actuelle.
Alcubierre Warp Drive
Les amateurs de science-fiction connaissent sans aucun doute le concept du lecteur de chaîne (ou lecteur Alcubierre). Proposée par le physicien mexicain Miguel Alcubierre en 1994, cette idée était une tentative d'imaginer un mouvement instantané dans l'espace sans violer la théorie de la relativité spéciale d'Einstein. En bref, ce concept consiste à étirer le tissu de l'espace-temps en une onde, ce qui entraînerait théoriquement une contraction de l'espace devant l'objet et une expansion derrière lui.
Un objet à l'intérieur de cette vague (notre vaisseau) pourra monter sur cette vague, se trouvant dans une "bulle de distorsion", à une vitesse beaucoup plus élevée que la relativiste. Puisque le navire ne se déplace pas dans la bulle elle-même, mais est transporté par elle, les lois de la relativité et de l'espace-temps ne seront pas violées. En fait, cette méthode n'implique pas un mouvement plus rapide que la vitesse de la lumière au sens local.
Il est "plus rapide que la lumière" uniquement dans le sens où le navire peut atteindre sa destination plus rapidement qu'un rayon de lumière voyageant à l'extérieur de la bulle de distorsion. En supposant que l'engin spatial soit équipé du système Alcubierre, il atteindra Proxima Centauri dans moins de 4 ans. Par conséquent, si l'on parle de voyage spatial interstellaire théorique, c'est de loin la technologie la plus prometteuse en termes de vitesse.
Bien sûr, tout ce concept est extrêmement controversé. Les arguments contre, par exemple, incluent qu'il ne prend pas en compte la mécanique quantique et peut être réfuté par une théorie de tout (comme la gravitation quantique en boucle). Les calculs de la quantité d'énergie requise ont également montré que l'entraînement de chaîne serait d'une voracité prohibitive. D'autres incertitudes incluent la sécurité d'un tel système, les effets spatio-temporels à la destination et les violations de causalité.
Cependant, en 2012, le scientifique de la NASA Harold White a déclaré que lui et ses collègues avaient commencé à explorer la possibilité de créer le moteur Alcubierre. White a déclaré avoir construit un interféromètre qui capturera les distorsions spatiales produites par l'expansion et la contraction de l'espace-temps de la métrique d'Alcubierre.
En 2013, le Jet Propulsion Laboratory a publié les résultats des tests de champ de distorsion, qui ont été réalisés sous vide. Malheureusement, les résultats ont été jugés «non concluants». À long terme, nous pouvons constater que la métrique d'Alcubierre viole une ou plusieurs lois fondamentales de la nature. Et même si sa physique s'avère correcte, rien ne garantit que le système Alcubierre puisse être utilisé pour le vol.
En général, tout se passe comme d'habitude: vous êtes né trop tôt pour vous rendre à l'étoile la plus proche. Néanmoins, si l'humanité ressent le besoin de construire une «arche interstellaire» qui abritera une société humaine autosuffisante, il lui faudra cent ans pour arriver à Proxima Centauri. Si, bien sûr, nous voulons investir dans un tel événement.
En termes de temps, toutes les méthodes disponibles semblent extrêmement limitées. Et si nous passons des centaines de milliers d'années à voyager vers l'étoile la plus proche, cela ne nous intéressera peut-être guère lorsque notre propre survie est en jeu, car à mesure que la technologie spatiale progresse, les méthodes resteront extrêmement peu pratiques. Au moment où notre arche atteindra l'étoile la plus proche, ses technologies deviendront obsolètes et l'humanité elle-même pourrait ne plus exister.
Donc, à moins de faire une percée majeure dans la fusion, l'antimatière ou la technologie laser, nous nous contenterons d'explorer notre propre système solaire.
Basé sur des matériaux de Universe Today
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