Matériaux réfléchissants innovants pour accélérer les sondes spatiales à des années-lumière

Masumi ShibataUne illustration du vaisseau spatial Starshot Lightsail pendant l'accélération par un réseau laser au sol

9 février 2022

Voyager vers Alpha Centauri, notre voisin le plus proche du système stellaire à 4,37 années-lumière, prendrait bien plus qu'une vie. Même l'une des sondes les plus rapides lancées par l'humanité, Voyager 1, mettrait plus de 70 000 ans pour y arriver à sa vitesse actuelle de 61 500 kilomètres à l'heure.

Pourtant, la perspective alléchante d'atteindre d'autres étoiles au cours de notre vie a motivé de nombreux ingénieurs à proposer des approches créatives pour accélérer la propulsion des engins spatiaux, y compris des voiles légères entraînées par laser. Au lieu d'exploiter le vent comme leurs anciens cousins ​​​​à bord des navires, les voiles légères sont propulsées par la lumière se reflétant sur leurs surfaces.

Fondé parStarshot révolutionnaire, un programme de recherche et d'ingénierie de 100 millions de dollars visant à développer une nouvelle technologie pour les voyages interstellaires sans équipage, la recherche a récemment été publiée dans Nano Letters. Dans deux articles distincts, les groupes ont proposé et évalué de nouveaux concepts dans la forme, la taille et les matériaux des futures voiles légères conçues pour accélérer rapidement tout en restant au frais afin qu'elles ne surchauffent pas et ne s'évaporent pas dans l'espace.

Une puissante impulsion laser émise depuis la surface de la Terre fournirait la poussée nécessaire pour atteindre les grandes vitesses requises pour un voyage interstellaire plus rapide. Ce faisceau accélérerait un petit "nanocraft", pas plus lourd qu'un tiers d'once, à travers le vide de l'espace. S'il est conçu correctement, un tel vaisseau spatial pourrait atteindre des vitesses d'environ 20% de la vitesse de la lumière, soit environ 3,6 millions de kilomètres par heure. À ces vitesses, les engins spatiaux à destination d'Alpha Centauri pourraient atteindre leur destination dans environ 30 ans et pourraient ensuite renvoyer des images et des mesures vers la Terre.

L'humanité n'a jamais accéléré d'objets macroscopiques à des vitesses aussi relativistes auparavant. Pour réaliser cette percée, des propriétés extrêmes sont requises de tous les composants impliqués, des lasers à la sonde ultralégère, ainsi que de la voile elle-même.

Les voiles doivent être extraordinairement légères - beaucoup plus légères qu'une plume - mais capables de refléter adéquatement la lumière du laser pour se propulser vers l'avant. Une voile d'environ 2 mètres de diamètre peut peser moins d'un gramme, soit quelques millièmes de livre.

Dansun des papiers, les groupes de recherche ont relevé un défi fondamental auquel sont confrontées les voiles à lumière laser : absorber même une petite fraction de la lumière laser sur une voile pourrait la détruire.

"Nous avons démontré des conceptions qui ont la capacité d'accélérer rapidement la voile et l'embarcation qu'elle tire, tout en veillant à ce qu'elle ne se désintègre pas immédiatement." dit Aaswath Raman.

"Malheureusement, lorsque vous dirigez un laser puissant vers quelque chose, même s'il absorbe une très petite fraction de cette lumière laser, il aura tendance à devenir très chaud", a déclaré Aaswath Raman, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'UCLA qui a dirigé cette étude. « Nous avons cherché à résoudre ce problème en concevant des voiles lumineuses à l'échelle nanométrique qui tirent parti des propriétés matérielles uniques et des comportements optiques qui surviennent lorsque les matériaux sont structurés à des échelles comparables à la longueur d'onde de la lumière entrante. Nous avons démontré des conceptions qui ont la capacité d'accélérer rapidement la voile et l'engin qu'elle tire, tout en s'assurant qu'elle ne se désintègre pas immédiatement.

Les recherches précédentes sur les voiles légères se sont concentrées sur l'augmentation de la vitesse du véhicule au détriment de la durabilité ou vice versa, mais l'équipe UCLA-UPenn vise à trouver un équilibre réaliste entre les deux.

L'équipe a incorporé du disulfure de molybdène, un nouveau matériau "2D" atomiquement mince avec un indice de réfraction élevé, ainsi que du nitrure de silicium, un matériau qui possède également les propriétés nécessaires pour évacuer efficacement la chaleur. Leur modélisation montre que cette conception de voile pourrait non seulement survivre à la phase d'accélération initiale qui propulse les voiles légères vers l'avant, mais aussi atteindre la vitesse cible à une distance proche de la Terre. Ceci est important car le laser ciblant la voile sera rayonné depuis la Terre et ne pourra pas propulser la voile une fois que le véhicule aura dépassé une certaine distance.

Le nouveau matériau de voile pourrait être incorporé dans une conception dans laquelle de très petits carrés de tissu, d'environ un centième de millimètre de surface, sont attachés ensemble, plutôt qu'une seule feuille, pour améliorer encore la dissipation de la chaleur.

L'auteur principal de l'article est John Brewer, un doctorant de l'UCLA conseillé par Raman et soutenu par une bourse de recherche de la National Science Foundation. Parmi les autres auteurs principaux de l'article figurent Deep Jariwala de Penn Engineering, professeur adjoint d'ingénierie électrique et des systèmes, et Igor Bargatin, professeur agrégé d'ingénierie mécanique et de mécanique appliquée. Parmi les autres auteurs figurent l'étudiant de premier cycle de l'UCLA, Sachin Kulkarni, et les chercheurs postdoctoraux de Penn Engineering, Matthew Campbell et Pawan Kumar.

Dansle deuxième papier, les chercheurs ont proposé que la conception de la voile lui permette de se gonfler, plus comme un parachute, au lieu d'être plate.

"L'intuition ici est qu'une voile très tendue, que ce soit sur un voilier ou dans l'espace, est beaucoup plus sujette aux déchirures", a déclaré Bargatin, qui a dirigé l'étude. "C'est un concept relativement facile à saisir, mais nous devions faire des calculs très complexes pour montrer comment ces matériaux se comporteraient à cette échelle."

Plutôt qu'une feuille plate, Bargatin et ses collègues suggèrent qu'une structure incurvée, à peu près aussi profonde que large, serait plus à même de résister à la tension de l'hyper-accélération de la voile, une traction des milliers de fois supérieure à celle de la gravité terrestre.

Campbell était l'auteur principal de cet article. D'autres auteurs incluent Brewer, Jariwala et Raman.

Breakthrough Starshot fait partie des Breakthrough Initiatives, une suite de programmes scientifiques spatiaux qui étudient les questions fondamentales de la vie dans l'univers. Financées par la Breakthrough Foundation, ces initiatives philanthropiques ont été mises en place par Yuri et Julia Milner.