Dans 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 engins spatiaux pour explorer des exoplanètes. Compte tenu des défis à relever, un certain nombre de concepts avancés sont actuellement explorés, comme le concept séculaire d'une voile légère (comme illustré par Breakthrough Starshot et des propositions similaires).

Cependant, ces dernières années, les scientifiques ont proposé un concept potentiellement plus efficace connu sous le nom de voile électrique composée de treillis métallique qui génère des charges électriques pour dévier les particules du vent solaire, générant ainsi de l'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 paru en ligne et est en cours de révision pour publication par Acta Astronautica , a été menée 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 Harvard et directeur de l'Institute for Theory and Computation (ITC), respectivement.

Le concept de voile légère est ancien, impliquant un vaisseau spatial équipé d'une grande feuille de matériau réfléchissant qui utilise la pression de rayonnement d'une étoile (vent stellaire) pour accélérer au fil du temps. Un avantage majeur de cette technologie est qu'elle ne nécessite pas d'engin spatial pour transporter son propre approvisionnement en carburant, qui représente généralement la majorité de la masse d'un vaisseau spatial.

Ceci est particulièrement important lorsqu'il s'agit de voyages interstellaires, puisque la quantité de masse réactionnelle nécessaire pour atteindre même une fraction de la vitesse de la lumière (c) serait énorme. Et contrairement à des concepts tels que la propulsion d'antimatière ou des concepts qui reposent sur une physique encore non testée (ou même hypothétique), les voiles solaires/légères utilisent une technologie et une physique entièrement éprouvées à ce stade.

Un autre avantage est le fait qu'une voile légère peut être accélérée par d'autres moyens que le rayonnement solaire. Comme Lingam l'a expliqué à Universe Today par e-mail :« Les voiles légères peuvent être« poussées » par des réseaux laser ou le rayonnement solaire/stellaire. Dans les deux cas, le principal avantage des voiles légères est qu'on n'a pas besoin de transporter le carburant à bord, contrairement aux fusées chimiques. Cela réduit considérablement la masse du vaisseau spatial puisque la majorité de la masse des fusées chimiques est due au carburant. Le même avantage s'applique également aux voiles électriques."

Cependant, dans les années récentes, des variantes de ce concept ont été développées, comme la voile magnétique ("magsails") proposée par Robert Zubrin et Dana Andrews en 1988, et la voile électrique proposée par Pekka Janhunen en 2006. Dans le cas du premier, une boucle supraconductrice générerait un champ électrique tandis que cette dernière générerait un champ magnétique via une voile de petits fils, qui repousseraient tous deux le vent solaire.

Ces concepts présentent quelques différences notables avec les voiles solaires ou légères conventionnelles. Comme Lingam l'a expliqué :« 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 reposent sur le 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."

Assez intéressant, les voiles magnétiques ont été considérées par certains chercheurs comme un moyen possible de ralentir une voile légère à l'approche de sa destination. L'un de ces chercheurs est le professeur Claudius Gros de l'Institut de physique théorique, Université Goethe, Francfort, et Andreas Hein et Kelvin F. Long, les principaux chercheurs du projet Dragonfly, un concept similaire à Breakthrough Starshot.

Les trois concepts sont capables de convertir le rayonnement émis par les étoiles en quantité de mouvement, mais viennent aussi avec leur lot d'inconvénients. Pour commencer, les voiles électriques sont très dépendantes des propriétés de leurs étoiles hôtes. Voiles légères, d'autre part, sont rendus largement inefficaces en ce qui concerne les étoiles de type M (naines rouges) car la pression de rayonnement n'est pas assez élevée pour générer une vitesse suffisante pour échapper à un système stellaire.

C'est un problème assez limité, comme de faible masse, les naines ultrafroides de type M représentent la grande majorité des étoiles de l'univers, représentant 75 pour cent 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 pouvant utiliser des systèmes naines 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 aux différentes classes d'étoiles - type F (blanc), type G (jaune), type K (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 du vaisseau spatial, sur la base des paramètres établis par Breakthrough Starshot.

Ce qu'ils ont découvert, c'est qu'un vaisseau spatial associé à une voile électrique représente un meilleur moyen de propulsion à proximité de la plupart des types d'étoiles, et pas seulement pour les engins spatiaux à l'échelle du gramme. 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 le voyage interstellaire pratique.

"Au lieu, si l'on considère les voiles légères alimentées par des réseaux laser (comme le 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 alimentées par des vents stellaires atteignent des vitesses de seulement 0,1 pour cent de la vitesse de la lumière, " dit Lingam.

Alors qu'une voile électrique pourrait éventuellement atteindre 0,1 c en atteignant à plusieurs reprises une proximité étroite avec les étoiles, ils ont estimé que cela prendrait 10, 000 rencontres en 1 million d'années. Lingam dit, "[L]es voiles électriques représentent un moyen viable d'entreprendre des voyages interstellaires. 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. Si de telles espèces longévives existent, les voiles électriques représentent un moyen assez pratique et économe en énergie d'explorer la Voie lactée sur de longues échelles 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, du moins selon nos normes. En tant qu'espèce, l'humanité existe depuis environ 200, 000 ans et n'a enregistré son histoire que depuis environ 6000. Plus précisément, nous ne sommes une civilisation spatiale que depuis 60 ans.

Ergo, une voile pouvant être accélérée par des lasers reste le moyen le plus pratique d'explorer les exoplanètes de notre vivant. Une autre implication pour cette étude est qu'elle pourrait éclairer la recherche d'intelligence extraterrestre (SETI). Lors de la recherche dans l'univers de signes d'activité technologique (technosignatures), les scientifiques sont obligés de rechercher des signes qu'ils reconnaîtront.

Compte tenu des avantages d'une voile électrique, il est possible qu'une civilisation extraterrestre favorise cette technologie par rapport à d'autres similaires. Comme l'a expliqué le professeur Loeb à Universe Today par e-mail :"Nos calculs impliquent que les civilisations avancées sont susceptibles de favoriser l'utilisation de voiles électriques par rapport aux voiles légères pour la propulsion basée sur la production naturelle d'étoiles sous forme de vent ou de rayonnement. Cependant , si une civilisation technologique souhaite atteindre des vitesses ou lancer de grosses cargaisons qui ne peuvent pas être propulsées par la puissance produite par leur étoile hôte, alors il est susceptible de privilégier les voiles légères, qui sont poussés 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 Loeb l'a ajouté, les voiles électriques ne sont pas facilement détectables à grande distance car elles sont constituées de treillis métalliques électrifiés et n'émettent pas de technosignatures évidentes. "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 à proximité de leurs sites de lancement ou parce qu'ils réfléchissent la lumière du soleil lorsqu'ils passent à proximité du soleil, tout comme les astéroïdes ou les comètes de taille similaire."

Cependant, Lingam et Loeb soulignent également que les voiles électriques pourraient être une option attrayante pour une civilisation extraterrestre précisément pour la même raison. En plus d'être économe en énergie, les voiles électriques ne sont pas sujettes aux débordements et peuvent donc voyager d'un système stellaire à un autre sans se faire remarquer. Une possible résolution 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 sur la longévité. Cela ne signifie pas que déployer des 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 le moment.