Une propriété malheureuse de la science-fiction est qu’elle est, tragiquement, de la fiction. Au lieu de planer entre les étoiles et d’innombrables galaxies, nous nous retrouvons jusqu’à présent confinés à cette planète que nous appelons la Terre. Seule une poignée d’êtres humains a atteint la lune solitaire de la Terre, et seulement deux de nos sondes sans pilote ont réussi à sortir du système solaire de la Terre après de nombreuses décennies de voyage. Il suffit de désespérer que nous n’atteindrons jamais le futur fantastique qui nous a apparemment été promis par la science-fiction.

Pourtant, tout espoir n’est peut-être pas perdu. Au cours des dernières décennies, nous avons amélioré nos fusées chimiques, expérimentons différents types de fusées nucléaires, et les propulseurs ioniques sont une caractéristique commune sur les satellites modernes ainsi que pour les missions au sein du système solaire. Et même si le battage médiatique autour de l’EMDrive a disparu aussi rapidement qu’il était apparu, le lecteur Alcubierre plus rapide que la lumière est toujours une possibilité alléchante après de nombreuses années de raffinements.

Alors même que la physique conspire contre notre désir de vivre parmi les étoiles, à quoi ressemblent nos chances actuelles? Jetons un coup d’œil aux méthodes de propulsion dont nous disposons aujourd’hui et à ce à quoi nous pouvons nous attendre avec divers degrés de certitude.

Dirigeants de l’orbite terrestre basse

Moteur de fusée RS-68 en test au NASA Stennis Space Center en 2000.

Quand il s’agit de mettre des choses en orbite autour de la Terre et de les y maintenir, nous nous en tirons plutôt bien. Depuis les débuts du moteur-fusée dans la première moitié du 20e siècle, nous avons mis au point de nombreuses améliorations et de nouvelles technologies. Nous avons développé de nouveaux carburants solides et liquides et appris à utiliser des carburants hypergoliques et cryogéniques. Cela a rendu le processus de lancement de nouveaux satellites et de nouvelles sondes en orbite autour de la Terre et sur des orbites de transfert interplanétaire pratiquement une question de routine.

Une fois hors du puits de gravité terrestre, ou en toute sécurité en orbite autour de la planète, une méthode de propulsion capable de moins de force brute suffit car l’attraction gravitationnelle de la Terre n’est plus un problème. C’est là que les propulseurs ioniques brillent: en utilisant des quantités relativement faibles de propulseur et de l’électricité provenant de panneaux solaires ou d’autres sources comme les RTG, ils parviennent à générer des quantités importantes de poussée sous forme de faisceaux d’ions. Parce que les propulseurs ioniques ont une impulsion spécifique très élevée, ils sont très efficaces dans leur consommation de carburant, mais ils présentent l’inconvénient d’avoir très peu de poussée.

Cela nous amène au cœur du problème des fusées et de la propulsion spatiale: équilibrer les performances entre l’énergie requise et le carburant dépensé. Alors qu’une fusée chimique peut être facilement mise à l’échelle pour utiliser plus de carburant pour plus de poussée, son impulsion spécifique est assez atroce, ce qui signifie que pour chaque unité de carburant brûlée, la plupart de l’énergie contenue dans le carburant est gaspillée, c’est-à-dire non utilisée à cette fin. de propulsion.

Impulsion spécifique (Isp) est définie en secondes, où la valeur indiquée spécifie pendant combien de temps le moteur-fusée ou un dispositif équivalent peut fournir une poussée à la fusée en utilisant le propulseur disponible. Cela détermine la durée de la poussée et donc l’accélération totale. De plus, les fusées chimiques deviennent plus légères à mesure qu’elles utilisent leur propulseur, ce qui entraîne une accélération pour la même poussée qui augmente avec le temps. Le rapport poussée / poids détermine ainsi les performances d’une fusée.

À titre de comparaison directe, une fusée chimique telle que la Falcon 9 de SpaceX avec des moteurs Merlin 1D (pleine poussée) a un Isp de 311 secondes dans le vide et de 282 secondes au niveau de la mer. Pendant ce temps, le jesp d’un propulseur ionique ne se mesure pas en secondes, mais en semaines, voire en mois, voire en années. Ceci malgré le propulseur ionique dans un satellite ou une sonde n’ayant qu’une fraction de la propulsion d’une fusée chimique. Pendant ce temps, le propulseur ionique a un rapport poussée / poids très faible qui l’empêche de soulever autant qu’une feuille de papier hors du puits de gravité terrestre.

Au-delà de l’orbite terrestre

Côté échappement du propulseur évolutif au xénon ionique de la NASA (NEXT).

En utilisant ces fusées chimiques et propulseurs ioniques, nous pouvons obtenir et maintenir des satellites ainsi que la Station spatiale internationale en orbite, même lorsqu’ils sont sur des orbites inférieures où la traînée atmosphérique est un problème. Et comme récemment démontré par les États-Unis, la Chine et les Émirats arabes unis en obtenant l’espoir (Misabar Al Amal) Et Tianwen-1 (Questions au paradis) orbiteurs autour de Mars, ainsi que le rover Perseverance sur le sol martien, nous devenons assez bons pour voyager vers au moins l’un de nos plus proches voisins dans le système solaire.

La plupart des déplacements dans le système solaire utilisent la mécanique orbitale, la mission actuelle de l’ESA BepiColombo en étant un excellent exemple. Au lieu de voyager en ligne droite de la Terre à Mercure, cette mission s’étend sur sept ans, au cours desquels BepiColombo utilisera l’assistance de la gravité: en utilisant essentiellement la gravité de diverses planètes et le Soleil de notre système solaire afin à la fois de gagner et de perdre de la vitesse, comme ainsi que de changer son orbite autour du Soleil afin qu’il puisse finalement s’aligner avec Mercure et se garer sur son orbite.

Cela montre également qu’un autre facteur important ici est celui du temps. Sans tenir compte de la durée des déplacements dans le système solaire ou au-delà, l’utilisation de l’assistance gravimétrique de la Terre et d’autres planètes est un moyen valable et très efficace de voyager dans l’espace. Les sondes Voyager ont réussi à sortir du système solaire de cette façon, ne prenant qu’une quarantaine d’années pour cela. Bien sûr, en dehors des missions scientifiques, écarter le facteur temps n’est une option que lorsque l’on commence à envisager quelque chose comme des navires de génération.

Tout comme sur Terre, nous préférons voyager plus vite et perdre moins de temps. Après tout, qui veut être coincé dans un voilier au Cap lors d’un voyage de voile de plusieurs mois alors que l’on peut simplement prendre un avion vers l’Est, par exemple? De même, nous recherchons des moyens de voyager plus vite dans l’espace.

Vers le nucléaire

Il y a quelques destinations possibles vers lesquelles nous aimerions voyager plus rapidement: l’une est bien sûr Mars, mais d’autres planètes de notre système solaire sont également intéressantes, comme la lune de Jupiter, Europe. Ici, nous rencontrons un gros problème avec nos fusées chimiques et nos propulseurs ioniques: l’un ne peut pas fournir de poussée assez longtemps, et l’autre ne fournit pas assez de poussée. Une solution possible ici remonte aux années 1950, sous la forme de la propulsion nucléaire.

Beaucoup sont probablement au courant du projet Orion de la DARPA, qui considérait l’utilisation de la propulsion par impulsions nucléaires comme un moyen de voler vers Mars et de revenir en l’espace de quatre semaines. Bien que ce projet n’ait jamais démarré, de nouveaux concepts basés sur les centrales nucléaires ont été élaborés. Ici, une grande partie des recherches les plus récentes se concentre sur l’utilisation de la fusion nucléaire d’une manière ou d’une autre pour créer des gaz d’échappement à grande vitesse. Nous voyons quelque chose de similaire dans la portée générale des fusées thermiques nucléaires dont les centrales nucléaires font partie, où l’accent s’est déplacé de la fission vers la fusion. Certains, comme le Direct Fusion Drive, peuvent être considérés comme essentiellement un propulseur ionique amélioré.

Dispositif PFRC-2 lors d’une impulsion de champ magnétique à Princeton en 2016.

Le DFD et d’autres sont quelques-uns des concepts que la NASA étudie actuellement pour réduire les temps de trajet vers Mars et d’autres destinations, y compris pour Orion (le vaisseau spatial). Le DFD utilise les résultats des expériences de configuration à champ inversé de Princeton (PFRC) pour fournir une poussée continue à des niveaux nettement plus élevés que les propulseurs ioniques actuels. Cela le rendrait approprié pour les voyages interplanétaires, avec un temps de voyage de quatre ans prévu pour se rendre à Pluton au bord de notre système solaire.

Bien sûr, rien de tout cela ne faciliterait considérablement les voyages interstellaires en dehors de notre système solaire.

Faire la lumière sur les choses

Dans cet univers, il n’y a que peu de choses qui sont certaines. L’un d’eux est que l’espace est très grand, sans parler de très vide. Un autre est que les objets ont une masse, et encore un autre étant la vitesse de la lumière (c) existe. Les deux derniers combinés dictent une limite très réelle à combien un objet peut accélérer. Ceci est problématique à la lumière des défis tels que amener un être humain au système stellaire le plus proche (Alpha Centauri, 4,37 années-lumière) dans la durée de vie de cette personne.

En tant qu’objet fabriqué par l’homme le plus éloigné, Voyager 1 voyage à 1/18 000 de la vitesse de la lumière, ce qui signifierait qu’il serait capable d’atteindre Alpha Centauri dans environ 80 000 ans. Pourtant, comme nous le verrons, la solution ici n’est pas simplement d’accélérer davantage, car cela crée deux nouveaux problèmes. Le premier est celui de l’énergie cinétique pure, car l’énergie nécessaire pour accélérer à une fraction appréciable de la vitesse de la lumière est plus grande que ce que l’on pourrait espérer produire avec n’importe quel type de méthode de propulsion actuelle ou future.

Les astronautes de la Station spatiale internationale connaissent un temps 0,01 seconde plus lent par année terrestre que les personnes à la surface de la Terre.

Le deuxième problème est défini par la relativité générale (GR). En termes simples, si un objet subit une accélération, alors le cadre de référence de l’objet et celui de tout observateur extérieur commencent à se séparer. Cet effet de dilatation du temps gravitationnel dans une représentation visuelle signifie que pour un observateur extérieur, une horloge tenue par un objet en accélération ralentit, tandis que vice versa l’horloge d’un observateur extérieur semblera se déplacer plus rapidement que l’horloge qu’il tient.

Bien que les effets de cette dilatation du temps soient relativement mineurs autour de la Terre (par exemple les astronautes dans l’ISS contre les gens sur Terre), la vérité brutale ici est que nous ne voulons pas du tout accélérer de manière significative. Autrement dit, à moins que nous ne souhaitons faire face à des situations où les personnes à bord d’un vaisseau spatial voyageant à 0,6 ° C connaîtront elles-mêmes des semaines qui passent au cours d’une mission, alors que sur Terre, des décennies se seront écoulées. Cela rend même les sondes sans pilote dans l’espace d’une fraction de c relativement inutiles.

Une solution potentielle réside ici dans le concept d’un entraînement de chaîne, également connu sous le nom de lecteur Alcubierre et ses dérivés. Cette méthode permet essentiellement à quelqu’un de voyager efficacement plus vite que la lumière (FTL), sans changer sa gravité effective et donc son référentiel. Cela évite également le besoin d’énormes quantités d’énergie.

Disques de distorsion physique

Le vaisseau capable de distorsion ‘Phoenix’ de Star Trek, construit autour d’un ICBM converti.

Les lecteurs FTL sont à peu près un aliment de base de la science-fiction et prennent de nombreuses formes. Parmi ceux-ci, le warp drive est l’un des rares à être à la fois basé sur la théorie scientifique et à avoir fait l’objet de quelques décennies d’étude et de raffinement. À la base, le principe est assez simple: le ‘warp drive’ établit (warp) une coquille d’espace-temps autour de l’objet (‘warp field’), qui peut alors se déplacer sans avoir à augmenter son énergie cinétique. Sa vitesse effective serait limitée par la rapidité avec laquelle il peut déformer l’espace-temps.

Un ajout récent à la littérature sur ce sujet est Introducing Physical Warp Drives de Bobrick et al., Qui travaille à travers les dernières décennies de la littérature, tout en créant un système de classification pour les différents types de warp drive imaginables.

Plus important encore, il explique comment une hypothèse faite avec le lecteur Alcubierre – en ce qu’elle nécessite une grande quantité de masse négative – était simplement basée sur un manque de compréhension de la théorie sous-jacente. En fait, cela signifie que l’exigence de masse négative peut être réduite ou même complètement éliminée, et que dans le domaine de la physique, rien n’empêche jusqu’à présent l’humanité de construire des entraînements de distorsion physiques réels et de se lancer dans des voyages FTL à travers la galaxie et au-delà.

L’espace: la dernière frontière?

Il semblerait alors qu’au moins une partie de la science-fiction pourrait dans un proche avenir devenir un fait scientifique, les vaisseaux représentés dans la série originale Star Trek (TOS, TNG et VOY) du côté de la Fédération fournissant un modèle alléchant pour ce que L’avenir de l’humanité pourrait être comme. Fait intéressant, dans l’univers de Star Trek, il faudrait attendre 2063 pour qu’un inventeur teste le premier lecteur de distorsion.

À quoi ressemblera notre propre chronologie est toujours à gagner, heureusement. Si nous serons vraiment capables de construire des entraînements de distorsion dans quarante ans ou non, et ce que nous découvrirons si nous le faisons, ce sont toujours des questions ouvertes. Alors que nous nous remémorons le vol historique de Youri Gagarine dans l’espace il y a soixante ans, il est passionnant de regarder vers l’avenir, vers ce que les prochaines décennies pourraient apporter.