La propulsion laser pourrait satisfaire le besoin de vitesse de notre vaisseau spatial

Il existe de nombreux endroits merveilleux que nous aimerions visiter dans l’univers, et probablement un nombre incalculable d’autres que nous n’avons même pas encore vus ou dont nous n’avons pas encore entendu parler. Malheureusement… ils sont tous si loin. Un voyage vers Mars dans le meilleur des cas prend environ six mois avec la technologie actuelle, tandis que si vous voulez visiter Alpha Centauri, c’est à quatre années-lumière !

Lorsqu’il s’agit de franchir ces grandes distances, la technologie conventionnelle des fusées chimiques ne coupe tout simplement pas la moutarde. Il s’avère cependant que les lasers pourraient détenir la clé pour réduire les temps de trajet dans l’espace !

45 jours vers Mars sur le laser

La propulsion thermique laser est un concept relativement simple et pourrait faire voyager notre vaisseau spatial dans notre voisinage céleste plus rapidement que jamais. Un puissant faisceau laser tiré de la Terre cible un grand échangeur de chaleur à bord de l’engin, à travers lequel est pompé un propulseur. Au fur et à mesure que le propulseur chauffé se dilate, il est finalement évacué d’une buse de la même manière que dans une fusée traditionnelle. Il est également similaire au concept de propulsion thermique nucléaire, mais au lieu d’utiliser la chaleur d’une réaction nucléaire, il s’appuie sur l’énergie laser fournie de l’extérieur.

Un article récent suggère qu’un tel système de propulsion pourrait fonctionner à une impulsion spécifique d’environ 3000 secondes. Il s’agit essentiellement d’une mesure de la poussée qu’un moteur développe par masse de carburant. À 3000 secondes, on pourrait dire qu’un système de propulsion thermique laser est au moins 12 fois plus économe en carburant en termes de poussée que les propulseurs à fusée solide (SRB) de la navette spatiale.

Un rendu d’un vaisseau spatial à propulsion thermique laser. Notez le grand réflecteur et la buse de fusée à l’arrière. Crédit : Duplay, 2022, CC PAR 4.0

Cela permet à une propulsion thermique laser d’obtenir des changements de vitesse beaucoup plus importants avec moins de carburant, ce qui donne à une mission spatiale la capacité d’envoyer des charges utiles plus loin et plus rapidement. Les calculs montrent qu’avec un plan de mission idéalisé, une charge utile d’environ 1000 kg pourrait être envoyée sur Mars en seulement 45 jours, bien plus rapidement que les 6 à 7 mois habituels possibles dans les missions typiques alimentées par des produits chimiques.

Une mission spatiale conceptuelle de propulsion thermique laser vers Mars. Crédit : Duplay, 2022, CC PAR 4.0

La technologie impliquée est complexe, comme vous vous en doutez. Un grand réseau laser d’une puissance de l’ordre de 100 MW serait nécessaire pour la mission. Le vaisseau spatial lui-même serait lancé hors de l’atmosphère sur une fusée chimique conventionnelle, après quoi il se séparerait et révélerait un grand réflecteur parabolique gonflable. Le laser au sol tirerait alors jusqu’à une heure, en utilisant une optique adaptative pour contrer l’effet de l’atmosphère terrestre sur le faisceau. Le réflecteur parabolique du vaisseau spatial concentrerait alors l’énergie sur une chambre pour chauffer le propulseur à hydrogène qui serait expulsé d’une buse à grande vitesse, fournissant une poussée.

Si vous le souhaitez, le vaisseau spatial pourrait être conçu pour libérer la capsule de charge utile sur son chemin vers Mars, l’unité de propulsion thermique laser se séparant et revenant sur une orbite terrestre stable pour le ravitaillement. Cela a l’avantage que le système de propulsion lui-même pourrait être utilisé plusieurs fois en succession rapide pour transporter des charges utiles bien au-delà de la Terre.

Un tel système a un défaut majeur qui ressort. Alors qu’un laser sur Terre est utilisé pour accélérer le vaisseau spatial à grande vitesse, il n’y a pas de réseau laser correspondant sur Mars qui puisse ralentir le vaisseau à son arrivée. L’utilisation de la propulsion chimique n’est pas non plus un moyen pratique de ralentir, car cela prendrait beaucoup trop de charge utile utile de l’engin. Les chercheurs ont plutôt déterminé qu’une manœuvre de freinage aérodynamique très prudente dans l’atmosphère martienne pourrait être utilisée pour ralentir un engin qui arrive. Cependant, il s’agit d’une opération délicate qui doit être exécutée sans faute pour en assurer le succès.

Dans l’ensemble, un tel système pourrait être facilement développé à court terme. Bien que personne ne dispose d’un réseau laser de 100 MW, les technologies modernes de laser à fibre optique signifient qu’un tel chiffre de puissance n’est pas en dehors du domaine du possible. De même, beaucoup de travail serait nécessaire pour créer un engin spatial thermique laser et un système au sol fiables capables d’envoyer des charges utiles dans des directions utiles dans l’espace non seulement limitées par les positions relatives de l’engin spatial et du laser au sol.

Montez le laser vers les étoiles

Si vous voulez aller aussi loin que notre étoile la plus proche, Alpha du Centaure, vous devrez voyager encore plus vite. Même en allant à la vitesse de la lumière, il faudrait quatre ans pour y arriver. Ainsi, une sonde ayant l’intention de voyager aussi loin voudrait se rapprocher le plus possible de cette vitesse pour y arriver dans un délai raisonnable.

Les voiles laser pourraient bien contenir la réponse à ce problème. Ils s’appuient sur le concept de pression de rayonnement photonique, où la lumière frappant une surface crée en fait une pression et la pousse. On les appelle des voiles parce que le concept est exactement le même que celui d’un voilier des siècles passés. Au lieu de tissu et de vent, cependant, une voile laser se substitue à des nano-matériaux avancés et à une puissante lumière laser.

Une conception d’artiste de l’idée de la voile laser. Un tel engin pourrait potentiellement transporter une charge utile à l’échelle du gramme à des vitesses relativistes, jusqu’à environ 0,2c. Crédit : Initiatives révolutionnaires

Des recherches récentes suggèrent qu’une voile laser à l’échelle de quelques mètres pourrait propulser un engin pesant un gramme à des vitesses allant jusqu’à 0,2 fois la vitesse de la lumière. Cela permettrait d’atteindre Alpha Centauri en environ 20 ans, plutôt que les dizaines de milliers d’années qu’il faudrait avec les fusées conventionnelles.

Le concept nécessiterait l’utilisation d’une voile faite de feuilles extrêmement minces de matériaux comme l’oxyde d’aluminium, le nitrure de silicium et le bisulfure de molybdène. Mesurant des milliers de fois plus fines qu’une feuille de papier, la voile devrait être assez solide pour ne pas se déchirer, et aussi être capable de dissiper la chaleur pour ne pas fondre sous la puissance du laser qui la propulse.

La nano-structuration avancée de la voile serait la clé pour atteindre cet objectif. L’idée est de produire une voile avec une réflectivité élevée pour maximiser l’accélération due à la pression photonique, tout en maintenant une émissivité thermique élevée pour garder la voile suffisamment froide pour ne pas fondre. Avec un réseau laser de 100 GW tirant sur la voile, ce n’est pas une mince affaire. Tout comme une voile conventionnelle sur un voilier, le matériau serait autorisé à gonfler sous la pression de la lumière entrante. Cela réduit considérablement les risques de déchirures.

Au mieux, la voile ne pourrait emporter qu’une infime charge utile de quelques grammes. On espère que des méthodes de fabrication avancées pourraient créer un microprocesseur, des caméras et du matériel de communication pour la sonde qui serait capable de communiquer sur les vastes distances entre Alpha Centauri et la Terre.

C’est un plan audacieux, qui pourrait permettre à la recherche spatiale d’aborder des sujets plus éloignés que jamais. Cependant, les défis à relever sont grands. L’exigence de réseaux laser extrêmement puissants dépasse nos capacités actuelles, et la question des matériaux doit encore être résolue. De plus, tout message envoyé par une sonde à Alpha Centauri mettrait quatre ans à revenir sur Terre, de sorte que des problèmes de communication se présentent également.

Quoi qu’il en soit, les recherches menées jusqu’à présent par Breakthrough Initiatives montrent que les concepts de voile laser ne relèvent pas nécessairement de la science-fiction. Avec le bon investissement et le bon développement, ils pourraient s’avérer être une méthode de propulsion utile pour les navires de recherche un jour dans le futur.

Conclusion

Contrairement à d’autres technologies apparemment de science-fiction, comme les propulseurs ioniques, ces méthodes de propulsion laser sont encore loin d’être utilisées dans de vraies missions spatiales. Il y a d’énormes défis à relever, et il convient également de penser à tous les oiseaux ou autres animaux sauvages malchanceux qui se retrouvent dans le faisceau d’un laser de classe mégawatt ou gigawatt.

Cependant, si nous voulons ouvrir les cieux, il faudra plus que ce que notre technologie existante peut faire. Ainsi, ces projets, ou peut-être d’autres nouvelles idées fantaisistes, pourraient un jour nous emmener bien au-delà de notre propre système solaire.