Concept d'artiste d'une mission de démonstration de voile solaire qui utilisera des lasers pour la navigation. Crédit :NASA
Nous connaissons tous l'idée des voiles solaires pour explorer le système solaire, en utilisant la légère pression du soleil. Mais il existe un autre système de propulsion qui pourrait exploiter la puissance du soleil, voiles électriques, et c'est une idée assez excitante.
Il y a quelques semaines, J'ai répondu à une question que quelqu'un se posait sur mes systèmes de propulsion exotiques préférés, et j'ai débité quelques idées que je trouve passionnantes :des voiles solaires, fusées nucléaires, moteurs ioniques, etc. Mais il y a un autre système de propulsion qui revient sans cesse, et j'ai totalement oublié de mentionner, mais c'est l'une des meilleures idées que j'ai entendues depuis un moment :les voiles électriques.
Comme vous le savez probablement, une voile solaire fonctionne en exploitant les photons de la lumière provenant du soleil. Bien que les photons soient sans masse, ils ont de l'élan, et peuvent le transférer lorsqu'ils rebondissent sur une surface réfléchissante.
En plus de la lumière, le soleil souffle également un flux constant de particules chargées – le vent solaire. Une équipe d'ingénieurs finlandais, dirigé par le Dr Pekka Janhunen, a proposé de construire une voile électrique qui utilisera ces particules pour transporter des engins spatiaux dans le système solaire.
Pour comprendre comment cela fonctionne, Je vais devoir introduire quelques concepts dans votre cerveau.
D'abord, le soleil. Cette boule de radiation mortelle dans le ciel. Comme vous le savez probablement, il y a un flux constant de particules chargées, principalement des électrons et des protons, s'éloigner du soleil dans toutes les directions.
Les astronomes ne savent pas exactement comment, mais un mécanisme dans la couronne solaire, sa haute atmosphère, accélère ces particules sur une vitesse d'échappement. Leur vitesse varie de 250 à 750 km/s.
Le vent solaire s'éloigne du soleil, et dans l'espace. Nous voyons ses effets sur les comètes, leur donnant leurs queues caractéristiques, et il forme une bulle autour du système solaire connue sous le nom d'héliosphère. C'est là que le vent solaire du soleil rencontre les vents solaires collectifs des autres étoiles de la Voie lactée.
En réalité, Le vaisseau spatial Voyager de la NASA a récemment traversé cette région, enfin leur chemin vers l'espace interstellaire.
Le vent solaire provoque une pression directe, comme un vrai vent, mais c'est incroyablement faible, une fraction de la légère pression subie par une voile solaire.
Mais le vent solaire est chargé négativement, et c'est la clé.
Une voile électrique fonctionne en dévidant un fil incroyablement fin, seulement 25 microns d'épaisseur, mais 20 kilomètres de long. Le vaisseau spatial est équipé de panneaux solaires et d'un canon à électrons qui ne prend que quelques centaines de watts pour fonctionner.
Visualisation du vent solaire rencontrant les « défenses » magnétiques de la Terre connues sous le nom de magnétosphère. Des nuages de plasma pointant vers le sud sont capables de décoller les couches de la bulle faisant face au soleil et de les empiler en couches sur la face nocturne de la planète (centre, droit). Les couches peuvent être suffisamment serrées pour se reconnecter et fournir des électrons solaires (étincelles jaunes) directement dans la haute atmosphère pour créer l'aurore. Crédit :JPL
En projetant des électrons dans l'espace, l'engin spatial maintient un état chargé hautement positif. Lorsque les particules chargées négativement du soleil rencontrent l'attache chargée positivement, ils « voient » un énorme obstacle de 100 mètres de diamètre, et s'écraser dessus.
En transmettant leur élan à l'attache et au vaisseau spatial, les ions l'accélèrent loin du soleil.
La quantité d'accélération est très faible, mais c'est la pression constante du soleil et peut s'accumuler sur une longue période de temps. Par exemple, si un vaisseau spatial de 1000 kg avait 100 de ces fils s'étendant dans toutes les directions, il pourrait recevoir une accélération de 1 mm par seconde par seconde.
Dans la première seconde il parcourt 1 mm, puis 2 mm dans la seconde suivante, etc. Au cours d'une année, ce vaisseau spatial pourrait aller à 30 km/s. Juste pour comparaison, le vaisseau spatial le plus rapide là-bas, Voyager 1 de la NASA va simplement à environ 17 km/s. Donc, Plus vite, certainement sur une vitesse de sortie du système solaire.
L'un des inconvénients de la méthode, réellement, c'est qu'il ne fonctionnera pas dans la magnétosphère terrestre. Ainsi, un vaisseau spatial à voile électrique devrait être transporté par une fusée traditionnelle loin de la Terre avant de pouvoir déployer sa voile et se diriger vers l'espace lointain.
I'm sure you're wondering if this is a one-way trip to get away from the sun, but it's actually not. Just like with solar sails, a electric sail can be pivoted. Depending on which side of the sail the solar wind hits, it either raises or lowers the spacecraft's orbit from the sun.
This artist’s concept shows the Voyager 1 spacecraft entering the space between stars. Interstellar space is dominated by plasma, ionized gas (illustrated here as brownish haze), that was thrown off by giant stars millions of years ago. Crédit :NASA
Strike the sail on one side and you raise its orbit to travel to the outer solar system. But you could also strike the other side and lower its orbit, allowing it to journey down into the inner solar system. It's an incredibly versatile propulsion system, and the sun does all the work.
Although this sounds like science fiction, there are actually some tests in the works. An Estonian prototype satellite was launched back in 2013, but its motor failed to reel out the tether. The Finnish Aalto-1 satellite was launched in June 2017, and one of its experiments is to test out an electric sail.
We should find out if the technique is viable later this year.
It's not just the Finns who are considering this propulsion system. En 2015, NASA announced that they had awarded a Phase II Innovative Advanced Concepts grant to Dr. Pekka Janhunen and his team to explore how this technology could be used to reach the outer solar system in less time than other methods.
The Heliopause Electrostatic Rapid Transit System, or HERTS spacecraft would extend 20 of these electric tethers outward from the center, forming a huge circular electric sail to catch the solar wind. By slowly rotating the spacecraft, the centrifugal forces will stretch the tethers out into this circular shape.
With its positive charge, each tether acts like a huge barrier to the solar wind, giving the spacecraft an effective surface area of 600 square kilometers once it launches from the Earth. As it gets farther, from Earth, bien que, its effective area increases to the equivalent of 1, 200 square km by the time it reaches Jupiter.
Artist’s illustration of NASA’s Heliopause Electrostatic Rapid Transit System. Crédit :NASA
When a solar sail starts to lose power, an electric sail just keeps accelerating. En réalité, it would keep accelerating out past the orbit of Uranus.
If the technology works out, the HERTS mission could reach the heliopause in just 10 years. It took Voyager 1 35 years to reach this distance, 121 astronomical units from the sun.
But what about steering? By changing the voltage on each wire as the spacecraft rotates, you could have the whole sail interact differently on one side or the other to the solar wind. You could steer the whole spacecraft like the sails on a boat.
En septembre 2017, a team of researchers with the Finnish Meteorological Institute announced a pretty radical idea for how they might be able to use electric sails to comprehensively explore the asteroid belt.
Instead of a single spacecraft, they proposed building a fleet of 50 separate 5-kg satellites. Each one would reel out its own 20 km-long tether and catch the sun's solar wind. Over the course of a 3-year mission, the spacecraft would travel out to the asteroid belt, and visit several different space rocks. The full fleet would probably be able to explore 300 separate objects.
Each spacecraft would be equipped with a small telescope with only a 40 mm aperture. That's about the size of a spotting scope, or half a pair of binoculars, but it would be enough to resolve features on the surface of an asteroid as small as 100 meters across. They'd also have an infrared spectrometer to be able to determine what minerals each asteroid is made of.
This image depicts the two areas where most of the asteroids in the solar system are found:the asteroid belt between Mars and Jupiter, and the trojans, two groups of asteroids moving ahead of and following Jupiter in its orbit around the sun.
That's a great way to find that $10 trillion asteroid made of solid platinum.
Because the spacecraft would be too small to communicate all the way back to Earth, they'd need to store the data on board, and then transmit everything once they came past our planet 3 years later.
The planetary scientists I've talked to love the idea of being able to survey this many different objects at the same time, and the electric sail idea is one of the most efficient methods to do it.
Selon les chercheurs, they could do the mission for about $70 million, bringing the cost to analyze each asteroid down to about $240, 000. That would be cheap compared to any other method proposed of studying asteroids.
Space exploration uses traditional chemical rockets because they're known and reliable. Sure they have their shortcomings, but they've taken us across the solar system, to billions of kilometers away from Earth.
But there are other forms of propulsion in the works, like the electric sail. And over the coming decades, we're going to see more and more of these ideas put to the test. A fuel free propulsion system that can carry a spacecraft into the outer reaches of the solar system? Yes please.
