Au cours de la dernière décennie, des milliers de planètes ont été découvertes au-delà de notre système solaire. Cela a eu pour effet de renouveler l'intérêt pour l'exploration spatiale, qui inclut la possibilité d'envoyer des vaisseaux spatiaux pour explorer les exoplanètes. Étant donné les défis impliqués, un certain nombre de concepts avancés sont actuellement à l'étude, comme le concept séculaire d'une voile légère (comme illustré par Percée de Starshot et propositions similaires).
Cependant, ces dernières années, les scientifiques ont proposé un concept potentiellement plus efficace connu sous le nom de voile électrique, où une voile composée de treillis métallique génère des charges électriques pour dévier les particules du vent solaire, générant ainsi un élan. Dans une étude récente, deux scientifiques de Harvard ont comparé et contrasté ces méthodes pour déterminer laquelle serait la plus avantageuse pour différents types de missions.
L'étude, qui a récemment été publiée en ligne et est en cours de révision pour publication par Acta Astronautica, a été dirigée par Manasavi Lingam et Abraham Loeb - professeur adjoint au Florida Institute of Technology (FIT) et professeur de sciences Frank B. Baird Jr. à l'Université de Harvard et directeur de l'Institut de théorie et de calcul (ITC), respectivement.
Le concept d'une voile légère est une tradition, où un vaisseau spatial équipé d'une grande feuille de matériau réfléchissant utilise la pression de rayonnement d'une étoile (aka. Vent solaire) pour accélérer avec le temps. Un avantage majeur de cette technologie est qu’elle ne nécessite pas de vaisseau spatial pour transporter son propre approvisionnement en carburant, qui représente généralement la majorité de la masse d’un vaisseau spatial.
Cela est particulièrement important en ce qui concerne les voyages interstellaires, car la quantité de masse de réaction nécessaire pour atteindre même une fraction de la vitesse de la lumière (c) serait formidable. Et contrairement à des concepts comme la propulsion à l'antimatière ou à des concepts qui reposent sur une physique encore non testée (ou même hypothétique), les voiles solaires / légères utilisent une technologie et une physique qui sont entièrement éprouvées à ce stade.
Un autre avantage est le fait qu'une voile légère peut être accélérée par des moyens autres que le rayonnement solaire. Comme Lingam l'a expliqué à Space Magazine par e-mail:
«Les voiles légères peuvent être« poussées »par des matrices laser ou des radiations solaires / stellaires. Dans les deux cas, le principal avantage des voiles légères est qu'il n'est pas nécessaire de transporter le carburant à bord contrairement aux fusées chimiques. Cela réduit considérablement la masse de l'engin spatial, car la majorité de la masse des fusées chimiques est due au carburant. Le même avantage s'applique également aux voiles électriques. »
Cependant, ces dernières années, des variantes de ce concept ont été développées, comme la voile magnétique (alias «magsails») proposée par Robert Zubrin et Dana Andrews en 1988, et la voile électrique proposée par Pekka Janhunen en 2006. Dans le cas de la première, une boucle supraconductrice, générerait un champ électrique tandis que la seconde déclencherait un champ magnétique via une voile de petits fils - les deux repousseraient le vent solaire.
Ces concepts présentent des différences notables par rapport aux voiles solaires ou légères conventionnelles. Comme l'a expliqué Lingam:
«Les voiles électriques reposent sur le transfert de quantité de mouvement des particules de vent solaire / stellaire chargées (les protons dans notre exemple) en les déviant via des champs électriques, tandis que les voiles légères dépendent du transfert de quantité de mouvement des photons émis par l'étoile. Ainsi, le vent de l'étoile entraîne des voiles électriques, tandis que le rayonnement électromagnétique émis par l'étoile entraîne des voiles légères. »
Il est intéressant de noter que les voiles magnétiques ont été considérées par certains chercheurs comme un moyen possible de ralentir une voile légère lorsqu'elle s'approche de sa destination. L'une de ces personnes est le professeur Claudius Gros de l'Institut de physique théorique de l'Université Goethe de Francfort, et Andreas Hein et Kelvin F. Long - les principaux chercheurs du projet Dragonfly (un concept similaire à Percée de Starshot).
Les trois concepts sont capables de convertir le rayonnement émis par les étoiles en élan, mais présentent également leur part d'inconvénients. Pour commencer, les voiles électriques dépendent beaucoup des propriétés de leurs étoiles hôtes. Les voiles légères, en revanche, sont rendues largement inefficaces en ce qui concerne les étoiles de type M (naine rouge) car la pression de rayonnement n'est pas suffisamment élevée pour générer suffisamment de vitesse pour échapper à un système stellaire.
C'est un problème plutôt limitatif, car la façon dont les naines de type M ultracool de faible masse représentent la grande majorité des étoiles de l'Univers - représentant 75% des étoiles de la Voie lactée. Les naines rouges ont également une durée de vie incroyablement longue par rapport aux autres classes d'étoiles et peuvent rester dans leur séquence principale jusqu'à 10 000 milliards d'années. Par conséquent, un système de propulsion qui peut utiliser des systèmes nains rouges serait préférable à des échelles de temps plus longues.
En raison de ces considérations, Lingam et Loeb ont cherché à déterminer quelle méthode de voyage interstellaire serait préférable (voiles légères ou voiles électroniques) par rapport à différentes classes d'étoiles - type F (blanc), type G (jaune), K- type (orange) et étoiles de type M. Après avoir pris en compte les propriétés de rayonnement de chaque classe, ils ont pris en compte la masse probable de l'engin spatial - sur la base des paramètres établis par Percée de Starshot.
Ce qu'ils ont découvert, c'est qu'un vaisseau spatial jumelé à une voile électrique représente un meilleur moyen de propulsion à proximité de la plupart des types d'étoiles, et pas seulement pour des vaisseaux spatiaux à l'échelle du gramme comme (ce qui est requis avec Starshot). Cependant, les calculs de Lingam et Loeb ont également révélé qu'il faudrait beaucoup plus de temps à un vaisseau spatial à voile électrique pour atteindre les types de vitesses qui rendraient les voyages interstellaires pratiques.
«Au lieu de cela, si l'on considère les voiles légères propulsées par des matrices laser (telles que Breakthrough Starshot), il est alors possible d'atteindre directement des vitesses relativistes (par exemple, 10% de la vitesse de la lumière) via des voiles légères; en revanche, les voiles électriques propulsées par des vents stellaires atteignent des vitesses d'à peine 0,1% la vitesse de la lumière », a expliqué Lingam.
Alors qu'une voile électrique pourrait atteindre 0,1 c finalement, après avoir atteint à plusieurs reprises la proximité avec les étoiles, ils ont estimé que cela prendrait 10 000 rencontres en un million d'années. Comme l'a dit Lingam:
«Les voiles électriques représentent un moyen viable d'entreprendre un voyage interstellaire. Cependant, toute espèce technologique souhaitant utiliser cette méthode devrait avoir une longue durée de vie, car tout ce processus pour atteindre des vitesses relativistes nécessiterait environ 1 million d'années. S'il existe de telles espèces à longue durée de vie, les voiles électriques représentent un moyen assez pratique et économe en énergie d'explorer la Voie lactée sur de longues périodes de temps (des millions d'années).
Alors qu'un million d'années n'est guère plus qu'un clin d'œil en termes cosmiques, il est incroyablement long en termes de durée de vie des civilisations - au moins par notre normes. En tant qu'espèce, l'humanité existe depuis environ 200 000 ans et n'enregistre son histoire que depuis environ 6 000. Plus précisément, nous ne sommes une civilisation spatiale que depuis 60 ans.
Ergo, une voile capable d'être accélérée par des lasers reste le moyen le plus pratique d'explorer les exoplanètes de notre vivant. Une autre implication de cette étude est de savoir comment elle pourrait éclairer la recherche de l'intelligence extraterrestre (SETI). Lors de la recherche dans l'Univers de signes d'activité technologique (alias. Technosignatures), les scientifiques sont obligés de rechercher des signes qu'ils reconnaîtront.
Étant donné les avantages d'une voile électrique, il est possible qu'une civilisation extraterrestre puisse favoriser cette technologie par rapport à des technologies similaires. Comme le professeur Loeb l'a expliqué à Space Magazine par e-mail:
«Nos calculs impliquent que les civilisations avancées sont susceptibles de favoriser l'utilisation de voiles électriques par rapport à des voiles légères pour une propulsion basée sur le rendement naturel des étoiles sous forme de vent ou de rayonnement. Cependant, si une civilisation technologique souhaite atteindre des vitesses ou lancer de grandes cargaisons qui ne peuvent pas être propulsées par la puissance produite par leur étoile hôte, alors elle est susceptible de favoriser les voiles légères qui sont poussées par leur faisceau lumineux produit artificiellement, tel qu'un puissant laser. La situation est similaire à la différence entre les voiliers qui utilisent le vent fourni gratuitement par mère nature, par rapport aux bateaux plus gros ou plus rapides qui sont propulsés par des moyens artificiels tels qu'un moteur. »
Malheureusement, comme l'a ajouté Loeb, les voiles électriques ne sont pas facilement détectables à de grandes distances car elles sont constituées de treillis métalliques électrifiés et n'émettent aucune technosignature évidente. "Par conséquent," conclut-il, "SETI devrait se concentrer principalement sur la recherche de voiles légères, qui sont visibles en raison de la fuite de leurs faisceaux lumineux au-delà des limites de la voile près de leurs sites de lancement ou parce qu'ils réfléchissent la lumière du soleil lorsqu'ils passent près de la Du soleil, tout comme des astéroïdes ou des comètes de taille similaire. »
Cependant, Lingam et Loeb soulignent également que les voiles électriques pourraient être une option attrayante pour une civilisation extraterrestre pour exactement la même raison. En plus d'être éconergétiques, les voiles électriques ne sont pas sujettes aux débordements et peuvent donc passer d'un système en étoile à un autre sans être remarquées. Une résolution possible du paradoxe de Fermi? Peut-être!
Dans tous les cas, cette étude indique que nos plans actuels pour explorer les systèmes stellaires voisins devraient se concentrer sur des concepts qui mettent l'accent sur la vitesse plutôt que sur la longévité. Cela signifie que le déploiement de voiles électriques ou magnétiques (qui pourraient continuer à explorer l'Univers pendant des éons) est une mauvaise idée, mais une mission qui peut arriver dans un autre système stellaire de notre vivant semble être l'option préférable pour l'instant.
