Les défis des vaisseaux photoniques de Breakthrough Starshot

Depuis juillet 2010 on a vérifié avec l’expérience IKAROS*, que la force de la lumière (du soleil en l’occurrence) peut effectivement propulser un vaisseau dans le vide spatial. Les promoteurs de Breakthrough Starshot nous proposent d’aller (beaucoup) plus loin que notre environnement terrestre, jusqu’au système stellaire le plus proche (Alpha Centauri). Pour y parvenir dans un délai raisonnable par rapport à une vie humaine, il faut aussi aller vite et, pour ce faire, il faut que la masse propulsée soit réduite au maximum. Breakthrough Starshot vise une vitesse de 20% de la vitesse de la lumière (« 0,2 c »). Pour l’atteindre avec l’énergie dont on peut disposer et dont la puissance serait supportable par la voile photonique (100 GW dépensés sur 10 minutes pour un millier de voiles), il faut que la masse totale de chaque vaisseau n’excède pas 2 grammes. Cela pose une série de défis technologiques extrêmement exigeants mais que les promoteurs du projet pensent pouvoir relever au cours des 20 ans qui viennent.

*IKAROS de l’agence spatial japonaise, « JAXA »,  a une masse de 315 kg dont 15 kg pour une voile de 14,1 m2. Lancé en 2010 pour 6 une mission de 6 mois, il tourne toujours autour du Soleil.

Pour mieux les appréhender, examinons les besoins en termes d’énergie, de voile et de charge utile.

L’énergie doit être émise, reçue et utilisée ; il en faut pour la propulsion (l’essentiel) et pour le fonctionnement du vaisseau. L’avantage de la propulsion photonique est qu’elle ne doit pas être embarquée ce qui réduit la contrainte de masse ; la difficulté viendra de la transmission et des pertes à la réception. Pour le fonctionnement (puisque, là, l’énergie sera embarquée), il faudra miniaturiser la source, le stockage et le dispositif de mise à disposition.

Voyons d’abord l’énergie propulsive. Elle sera émise par des lasers parce que c’est la seule façon de transmettre l’énergie photonique sur une très longue distance (jusqu’à 2.000.000 de km* d’après ce qui nous est annoncé) de façon cohérente. Les 100 GW, semble-t-il nécessaires, représentent une puissance énorme mais ils devraient être produits par plusieurs générateurs classiques de 100 MW. L’énergie serait accumulée et stockée en attente de libération lors de la phase de propulsion. Là encore on se heurte à une difficulté vue l’énormité de l’énergie à libérer en dix minutes*! Les lasers poseront peut-être moins problème car la transmission devrait se faire par un grand nombre d’appareils (« une forêt ») fonctionnant ensemble. La cohérence du faisceau de lumière est plus difficile pour des raisons tenant à l’appareil émetteur et au milieu à traverser avant de frapper la voile. Les lasers doivent projeter des rayons d’une longueur d’onde de 1 micron pour mieux traverser l’atmosphère, ce qui peut se faire mais les ondes devront ensuite parcourir quelques 60.000 km avant d’atteindre leur cible (voiles photoniques dans leur zone de largage) et ne pas se disperser ensuite sur les 2 millions de km de la trajectoire des vaisseaux pendant la phase d’impulsion. C’est évidemment difficile et lié à un autre problème, la focalisation du rayon. A l’aide d’un retour de signal de chaque voile, il faudra atteindre une précision de focus de 0,4 millisecondes d’arcs, ce qui est extrêmement précis mais pas impossible. Pour atténuer les perturbations atmosphériques, il faudra localiser les lasers (et la centrale électrique) en altitude (plus de 5000 m) dans un environnement très sec. Le haut plateau andin où sont installés les grands télescopes de l’ESO semble le plus approprié.

*NB: Il pourrait y avoir une certaine incohérence à ce stade très initial du projet Breakthrough Starshot, entre la durée d’impulsion initiale et la vitesse de 0,2c atteinte à la fin de cette impulsion. In fine la distance de portée des lasers pourraient être accrue ou bien la vitesse générée un peu plus faible.

Voyons ensuite l’énergie embarquée : On retrouve la contrainte de masse ; tout doit tenir dans 150 milligrammes, source et pile comprises ! Pour la source on devrait utiliser un petit morceau de matière radioactive (plutonium 238 ou americium 241) et un supercondensateur qu’on devrait pouvoir « allumer » et « éteindre » pour économiser le stock d’énergie produit. En fait il y aura très peu de besoins pendant le voyage : une correction de trajectoire entre 1 et 2 UA, une orientation de l’antenne pour vérification de position, le stockage et l’émission de quelques informations sur le milieu interstellaire. L’énergie sera surtout utilisée pour le fonctionnement de l’instrument d’observation lors de la traversée du système d’Alpha Centauri et de la transmission d’informations sur ce système. Il est cependant important de noter que le vaisseau pourrait alors utiliser la lumière de l’étoile voisine. Il faudrait pour cela couvrir la voile d’un film photovoltaïque (pas trop épais !).

La voile pose aussi des problèmes. Pour être efficace, elle doit être réflective, opaque, homogène et résistante tout en étant ultralégère. Il faudra pousser ces qualités à l’extrême (masse d’un gramme seulement !) compte tenu du choc que va lui causer la propulsion (la vitesse devrait atteindre 216 millions de km/h après seulement 10 minutes). Pour la réflectivité on vise 99,999%. Pour des raisons de masse, il faudra utiliser une monocouche sensible particulièrement à la longueur d’onde de la lumière reçue ; le graphène semble une piste intéressante. L’opacité signifie que la lumière doit le moins possible traverser ou entrer dans la matière de la voile (absorption minimum) ; la traverser serait perdre de la poussée et y entrer entraînerait un échauffement, dans les deux cas une perte d’énergie. La solution semble exister, ce serait “une couche de microcubes de silicone sur un substrat de dioxide de silicone”. L’homogénéité signifie qu’il ne peut y avoir d’irrégularité, de tache ou même de ride sur la surface réflective car cela risquerait de déséquilibrer le vaisseau. La solution, au-delà de la recherche d’une surface « parfaite » serait de faire tourner très vite la voile-miroir sur elle-même (« spin ») pendant les dix minutes d’impulsion (solution utilisée pour IKAROS). Une solution complémentaire serait de placer des charges minuscules qui s’écarteraient lors de la rotation vers l’extérieur de la voile et la maintiendraient étendue et plate.

La charge utile enfin doit être efficace et ultralégère. Il s’agit ici des éléments permettant l’observation, le traitement et le stockage d’information, la communication, tout cela dans un seul gramme (NB : l’antenne sera cependant dans la voile)! La pluralité des vaisseaux donnera une redondance indispensable en cas de défaillance de l’un ou de l’autre. Mais il faudra imaginer une coopération entre les vaisseaux, un peu comme des instruments fonctionnant en interférométrie, une partie d’information venant se joindre à d’autres pour donner une image d’ensemble. Les différents éléments devront aussi être protégés des radiations et des chocs pouvant survenir du fait de l’interaction avec le milieu interstellaire. Pour cela on pense à un revêtement des points sensibles par une matière particulièrement résistante et stable comme le bronze au béryllium.

Dans de nombreux cas de figure envisagés, on n’est pas encore au niveau nécessaire et l’accélération dont on a besoin pour atteindre la vitesse de 0,2c semble a priori (mais a priori seulement!) impossible à atteindre en seulement 10 minutes. Il faut voir jusqu’où l’on pourra porter la vitesse réelle dans la limite de distance permettant la cohérence des faisceaux laser. On peut espérer la continuation des progrès (ils pourraient se situer du côté des lasers qui auraient une portée plus longue). Un des intérêts du projet consiste précisément en ce qu’il va pousser la recherche, dont on retrouvera forcément les retombées dans de multiples applications terrestres où l’efficacité, la miniaturisation, la précision et la résistance sont importantes.

La semaine prochaine je vous dirai comment Breakthrough Starshot veut mettre en œuvre cette recherche.

lien vers le site de Breakthrough Starshot listant les défis du projet:  https://breakthroughinitiatives.org/Challenges/3

Image à la Une : La forêt de laser en phase active d’émission de lumière. Crédit Breakthrough Starshot.

image ci-dessous: détails techniques du projet. Crédit Breakthrough Starshot.

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Pierre Brisson

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l'Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d'entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

7 réponses à “Les défis des vaisseaux photoniques de Breakthrough Starshot

  1. Il est possible que je n’aie pas bien compris certains points de la présentation, mais si tel n’est pas le cas je m’étonne de certaines des caractéristiques de ce projet et des données fournies qui me semblent présenter des incohérences (et pas seulement “une certaine incohérence”!).
    Energie propulsive: si on rapporte l’énergie annoncée à l’énergie cinétique atteinte, on déduit que l’efficacité supposée du système serait de l’ordre de 6%. N’est-ce pas un peu optimiste avec un tel système, qui doit générer pas mal de pertes à tous les niveaux? Par ailleurs, les initiateurs du projet annonçant vouloir accumuler l’énergie nécessaire (60’000 GJ) sur une semaine, ce n’est donc pas plusieurs mais un seul “générateur classique” de 100 MWe qui serait nécessaire. Dommage qu’il ne soit pas précisé le nombre que recouvre “une forêt” (100? 1’000? 10’000? …), car a priori il semblerait que l’on arrive à des courants proprement énormes si on veut “décharger” en 10 minutes seulement l’énergie dont il est question sous une tension de quelques volts comme indiqué dans l’article d’origine.
    Phase propulsive: Il semble y avoir un problème d’ordre de grandeur dans la distance de propulsion annoncée. Un rapide et simple calcul – supposant une variation linéaire de la vitesse jusqu’à 0,2 c (env. 60’000’000 m/s) pendant les 10 minutes (600 s) de propulsion – montre que la distance parcourue serait ainsi de 600*60’000’000/2 = 18’000’000’000 m, soit de l’ordre de 20 millions de km et non 2. En fait, la poussée exercée sur la voile, donc la force, donc l’accélération, variera bien sûr au cours du temps, d’un maximum au temps t=0 pour tendre vers 0 après 10 minutes. Dans ce cas la fonction qui représente la variation de la vitesse au cours du temps sera plus “convexe” qu’une droite – qui suppose une accélération constante – et donc la distance par courue (donnée par l’aire sous la courbe) encore plus grande même que celle calculée ci-dessus. Et si on en reste à une portée des lasers de l’ordre de 2 millions de km, la vitesse atteinte ne sera pas “un peu plus faible”, mais de l’ordre de 10 fois plus faible et donc la durée du voyage 10 fois plus longue!
    Il y aurait d’autres points à relever, mais j’ajouterais seulement qu’une accélération moyenne de près de 10’000 g (avec une accélération maximale initiale même encore environ 3 fois plus forte) me semble a priori énorme à supporter pour un quelconque équipement technique, même micro-miniaturisé (pour comparaison, l’accélération maximale d’un missile antimissile, considérée comme déjà très élevée, est de l’ordre de 100 g).

    1. Attention! Pas si vite! Il ne faut pas “jeter le bébé avec l’eau du bain”. Le projet Breakthrough Starshot vient de voir le jour et ses promoteurs se donnent vingt ans pour le finaliser, vingt ans!. Il est évident que tout ne peut pas être défini aujourd’hui. D’ailleurs ces mêmes personnes invitent la communauté scientifique et les ingénieurs intéressés à formuler leur critiques et leurs suggestions sur leur site (je vous en parlerai la semaine prochaine). Ce qui est important à ce stade, ce sont les principes: la propulsion par lasers, la masse extrêmement réduite des vaisseaux, la masse ultra légère et la réflectivité des voiles, la miniaturisation des équipements et de l’approvisionnement énergétique embarqué. In fine, on verra bien la faisabilité du projet et même si, à défaut de permettre de rejoindre Alpha Centauri dans un délai raisonnable, on ne pourrait pas utiliser ce mode de propulsion pour des transports rapides à l’intérieur du système solaire. Mais je crois qu’il ne faut pas enterrer Breakthrough Starshot. Il est facile de dire qu’un projet est infaisable, il faut plutôt réfléchir aux solutions qui le rendront faisable puisque nous avons les éléments de base de la réflexion.

    2. Je n’ai rien contre la propulsion ionique mais le projet Breakthrough Starshot lance l’idée de propulsion photonique. Malgré vos arguments je ne vois pas pourquoi elle ne serait pas sérieusement prise en considération.
      Vous objectez le coup de boutoir, il serait plus intéressant de tester les limites d’une accélération forte pour l’équipement et la charge transportée (et d’aménager en conséquence équipement et charge ou progressivité de l’accélération).
      Vous objectez la source d’énergie dédiée mais il y aura sûrement des marges de production et de puissance non utilisées sur Mars, ne serait-ce que par sécurité…et le transport postal par propulsion photonique n’est peut-être pas pour demain mais pour après demain (le sujet est actuellement l’exploration).
      Plus généralement je pense qu’il ne faut pas nier a priori le potentiel d’une idée originale et novatrice. Le mieux qu’on puisse faire c’est en discuter avec les promoteurs du projet avec en vue, les améliorations qu’on peut y apporter. Ils nous y invitent d’ailleurs; je vous en parlerai mercredi prochain.

  2. Il n’est pas question de “jeter le bébé avec l’eau du bain”. C’est au contraire en posant d’abord le diagnostic d’éventuels problèmes, et en discutant la pertinence ou non de ceux-ci (sans dévier sur des considérations “philosophiques” générales sur lesquelles tout le monde est en principe d’accord) que l’on peut espérer faire avancer les choses et, alors, tenter de proposer des solutions “correctrices” adéquates.
    En ce qui concerne l’application à des “transports” rapides au sein du système solaire, je ne vois pas un gros intérêt. Même en se “contentant” d’une vitesse de 0,002 c, on ne pourrait accélérer avec la même énergie et en supposant la même efficacité qu’une masse d’environ 20 kg. A priori (mais, précisément, c’est à discuter) l’approche d’une poussée relativement faible mais prolongée sur un longue durée (propulsion ionique) me paraît être une approche plus prometteuse pour atteindre de grandes vitesses.

    1. Avec une vitesse de 0,002c on pourrait aller sur Mars en une douzaine de jours et si on pouvait effectivement y transporter 20 kilogrammes, cela constituerait un progrès et un avantage extraordinaires. On pourrait par exemple envoyer sur Mars des molécules chimiques, un vaccin ou des microprocesseurs que l’on ne pourrait pas encore y produire, ou encore faire effectuer un voyage rapide à un objet (ou un embryon d’être vivant) particulièrement sensible aux radiations. Pour freiner les vaisseaux à l’arrivée, on pourrait imaginer les retourner pour que la surface réfléchissante de la voile soit orientée vers Mars d’où l’on pourrait pointer aussi des lasers qui localiseraient la voile par l’émission d’un message que celle-ci émettrait. On récupérerait les voiles en orbite haute (hors atmosphère) par un satellite spécialisé qui servirait d’intermédiaire avec la surface où la voile ne pourrait pas descendre du fait de sa fragilité.
      Par ailleurs, s’il s’avère que, malheureusement, on ne peut atteindre la vitesse de 0,2c et que donc rejoindre le système d’Alpha Centauri en un temps raisonnable par rapport à une vie humaine est impossible, on pourrait néanmoins aller beaucoup plus vite qu’avec les modes de propulsion actuels et explorer l’ensemble du système solaire sans attendre des années (6 ans pour Jupiter, 11 ans pour Pluton). Cela permettrait d’obtenir rapidement des informations sur les planètes relativement proches et de rendre accessible aux sondes humaines la Neuvième Planète (encore hypothétique) et les autres astres de la ceinture de Kuiper (et ne dites surtout pas que cela n’a aucun intérêt, ce serait faire offense à tous les scientifiques qui consacrent leur vie à mieux connaître notre système solaire !).
      La propulsion par laser est pour moi, définitivement, un nouveau mode qu’il ne faut pas négliger. Je ne vois pas pourquoi on lui préférerait la propulsion ionique qui n’est pas plus « au point ». Les deux ne s’excluent pas, les possibilités de hautes vitesses de la propulsion photonique étant sans doute beaucoup plus grandes.
      Je pense que dans le domaine de l’exploration spatiale, les maîtres mots doivent être « réflexion », « imagination » et « audace ». Heureusement, certains, comme les promoteurs de Breakthrough Starshot, n’en manquent pas. Ne pas essayer, ne pas tenter, ne pas chercher me semblent être des défauts majeurs, inhibiteurs de progrès.

      1. Bien entendu qu’aucun système de propulsion n’en exclut un autre, … a priori en tout cas; c’est pourquoi une réflexion ouverte et sans exclusives est nécessaire. En ce qui concerne la propulsion ionique (et je précise que je n’ai aucune «action» ou intérêt personnel de quelque nature que ce soit dans ce type de système!), elle est quand même nettement plus avancée en matière de développement que la propulsion par lasers. Ses premiers tests concrets, couronnés de succès, remontent à 1998 («Deep Space 1»). En tout cas au sein du système solaire, je pense que cette solution est bien plus favorable, performante et intéressante. Elle évite en particulier le véritable «coup de boutoir» à infliger à un engin spatial et ses équipements au départ de la Terre. Elle peut de ce fait être utilisée dans le cas de charges utiles même relativement délicates, et de plus grandes masses, que ce n’est le cas avec une solution type Starshot, au nom très évocateur d’ailleurs rappelant la solution du canon de Jules Vernes pour aller sur la Lune!
        Quant à la question plus spécifique de l’allusion que j’ai faite à la masse d’une vingtaine de kg qui pourrait au mieux être accélérée à une vitesse de 0,002 c, c’était seulement un exemple destiné à préciser qu’on ne peut ici parler de «système de transport» au sens «macroscopique» que l’on donne habituellement à cette expression. Il est dans ce contexte intéressant de noter que si les effets relativistes sont parfaitement négligeables à cette vitesse, il n’en va plus tout-à-fait de même à 0,2 c; en ce qui concerne l’énergie, la différence est de l’ordre de 3%, donc parfaitement «sensible».
        Enfin, après réflexion, je ne crois guère à la possibilité de mise en application pratique de l’idée de «poste photonique» (par analogie à «poste pneumatique» !) avancée plus haut pour l’envoi rapide de la Terre vers Mars de «colis» de faibles masses. Entre autre parce qu’il faudra plus ou moins la même énergie pour ralentir l’engin que celle qui aura été utilisée pour l’accélérer au départ de la Terre. Or, plus encore que sur Terre, dans l’espace ou sur Mars l’énergie est et restera une ressource précieuse, à utiliser avec la plus grande parcimonie. Dans un avenir prévisible, on ne disposera jamais sur Mars des 100 MWe – en plus «dédiés» à ce seul usage pendant toute une semaine – nécessaires pour freiner l’engin à son arrivée ! Pas de centrales nucléaires sur Mars, tout au plus quelques petits réacteurs, amenés depuis la Terre, d’une puissance nominale typiquement de l’ordre de 100 kWe chacun; on est très loin du compte (surtout pour ne recevoir que quelques kilos de charge utile).

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