Lorsque les sondes artificielles atteignent enfin d'autres étoiles, ils ne seront pas propulsés par des fusées. Au lieu, ils peuvent chevaucher une voile ultra-fine qui est soufflée par un faisceau laser géant. Harry Atwater, Professeur Howard Hughes de physique appliquée et de science des matériaux, est chef de projet du programme Breakthrough Starshot, qui cherche à faire de ces sondes une réalité. Dans un nouvel article publié le 7 mai dans Matériaux naturels , Atwater explore certains des défis majeurs auxquels le projet sera confronté dans sa tentative de faire de l'humanité une espèce interstellaire. Nous nous sommes récemment assis avec lui pour parler du programme.

Qu'est-ce exactement que le programme Breakthrough Starshot ?

Il s'agit d'un projet multidisciplinaire de 100 millions de dollars annoncé en 2016, visant à concevoir un vaisseau spatial qui peut être lancé vers des planètes entourant d'autres étoiles et les atteindre au cours de notre vie. L'idée est de développer des engins spatiaux capables de voyager à près de 20% de la vitesse de la lumière.

Pourquoi cela ne peut-il pas être fait avec des fusées conventionnelles ?

Le problème avec la propulsion de fusée traditionnelle est que la vitesse finale de la fusée est limitée par la vitesse finale du carburant éjecté de la fusée. Pour les propulseurs chimiques, la limite supérieure de la vitesse finale est bien trop basse. Le vaisseau spatial le plus rapide jamais lancé mettrait des dizaines de milliers d'années pour atteindre l'étoile la plus proche, Alpha Centauri C. C'est clairement peu pratique pour toute mission interstellaire.

Pour surmonter cela, nous prévoyons d'utiliser la lumière elle-même comme combustible. En d'autres termes, nous profitons du principe de conservation de la quantité de mouvement entre la lumière et les matériaux. Si j'ai un objet réfléchissant et que je l'éclaire, les photons de recul ou de réflexion donnent une impulsion à l'objet. Si l'objet est suffisamment léger, que l'élan peut agir comme une force propulsive, et alors la vitesse finale de cette sonde n'est limitée que par la vitesse de la lumière elle-même.

Quel est votre rôle dans le projet ?

Je suis conseiller du programme Breakthrough Starshot. Le programme comporte trois grands défis techniques :Le premier est de construire le moteur à photons, le laser capable de propulser la voile; la seconde est de concevoir la voile elle-même; et le troisième est de concevoir la charge utile, qui sera un minuscule vaisseau spatial capable de prendre des images et des données spectrales, puis de les renvoyer vers la terre. Mon rôle est d'aider le programme à définir des voies pour fabriquer une voile de lumière viable et compatible avec les autres objectifs de l'ensemble du programme. Ce ne sera pas facile :nous devons fabriquer un objet ultraléger de grande taille, solidement et dynamiquement stable sous propulsion.

Quels sont les autres défis ?

Les défis que nous abordons dans notre dernier article développent les exigences de conception et de matériaux pour cet ensemble de conditions d'ingénierie vraiment extrêmes. Nous avons besoin de quelque chose dont la masse ne dépasse pas un gramme, mais qui couvre une superficie d'environ 10 mètres carrés. Cela signifie que l'épaisseur moyenne sera de l'ordre de dizaines à centaines de nanomètres; beaucoup plus fin qu'un cheveu humain.

Ce matériau ultra-fin sera soumis à un rayonnement laser intense pendant la phase de propulsion, avec une intensité de mégawatts par mètre carré. Ce n'est pas la plus haute intensité jamais générée dans un laboratoire, mais c'est une intensité très élevée pour interagir avec un ultra-mince, structure membranaire de type arachnide du type de celle dont nous parlons ici. La plus grande exigence est donc qu'elle soit ultra-réfléchissante pour que nous puissions donner de l'élan et propulser la voile lumineuse.

Y a-t-il des matériaux, ou familles de matériaux, ça a l'air prometteur pour ça ?

Oui. Les meilleurs matériaux sont ceux qui sont diélectriques, ou isolant, plutôt que des matériaux métalliques, qui transmettent des charges électriques. Un bon exemple de diélectrique que tout le monde connaît est le verre, qui est hautement non absorbant. Malheureusement, le verre est un peu trop faible dans sa réflectivité pour être un candidat efficace pour le matériel de voile légère, mais néanmoins il montre la voie. Les meilleurs matériaux à considérer sont ceux qui ont une réflectivité plus élevée mais des coefficients d'absorption tout aussi faibles.

Comment ce travail s'intègre-t-il dans vos objectifs de recherche plus larges?

Mon équipe de recherche s'intéresse beaucoup à la façon dont la lumière interagit avec les matériaux nanométriques, ou des matériaux qui sont sculptés ou façonnés à l'échelle de la longueur d'onde elle-même. L'une des choses fascinantes est que les matériaux nanostructurés peuvent être capables de générer des compromis vraiment optimaux entre la masse et la réflectivité, et aussi aider à donner de la stabilité à la voile. Nous avons besoin que la voile soit passablement stable, ce qui signifie qu'il ne tombe pas du faisceau laser, pour ainsi dire.