En quelques décennies, l'initiative Breakthrough Starshot espère envoyer un voilier dans le système voisin d'Alpha Centauri. À l'aide d'une voile lumineuse et d'un réseau laser à énergie dirigée, un minuscule vaisseau spatial pourrait être accéléré à 20% de la vitesse de la lumière (0,2 c). Cela permettrait à Starshot de faire le voyage vers Alpha Centauri et d'étudier toutes les exoplanètes là-bas en seulement 20 ans, réalisant ainsi le rêve d'exploration interstellaire au cours de nos vies.

Naturellement, ce plan présente un certain nombre de défis d'ingénierie et de logistique, dont l'un implique la transmission de données vers la Terre. Dans une étude récente, Le directeur des systèmes Starshot, le Dr Kevin L.G. Parkin analyse la possibilité d'utiliser un laser pour transmettre des données à la Terre. Cette méthode, argumenta Parkin, est le moyen le plus efficace pour l'humanité d'avoir un aperçu de ce qui se trouve au-delà de notre système solaire.

L'auteur de l'étude, Dr Kevin Parkin, est directeur des systèmes de Breakthrough Starshot depuis 2016. Avant cela, il a reçu la médaille Korolev de la Fédération de Russie d'astronautique et de cosmonautique pour ses travaux révolutionnaires dans le domaine de la propulsion thermique par micro-ondes. Il a également fondé la société aérospatiale basée à San Francisco Parkin Research, spécialisée dans le développement de technologies économiques.

Aborder la question d'une liaison descendante de communication, Le Dr Parkin a cherché à calculer la meilleure option pour une voile intégrée et un vaisseau spatial (voilier). À cette fin, il a envisagé la possibilité d'un émetteur laser à faisceau serré à bord du voilier Starshot de 4,1 m (13,45 pi) de diamètre, qui commencerait à transmettre à un télescope de 30 mètres (~ 100 pieds) sur Terre une fois qu'il a atteint Alpha Centauri.

Ce réseau prendrait la forme d'un réseau optique de 100 watts (intégré dans la voile elle-même) qui utilise des lasers pour transformer la puissance du milieu interstellaire (ISM). Le Dr Parkin envisage que le réseau transmettrait des données à une longueur d'onde de 1,02 micromètre, qui serait alors reçu à 1,25 micromètre par le télescope, ce qui place les transmissions dans le spectre proche infrarouge/proche ultraviolet.

Ce type de liaison descendante présente de nombreux avantages par rapport aux communications qui reposent sur des transmissions par ondes radio ou micro-ondes. Comme le Dr Parkin l'a dit à Universe Today par e-mail :

"Par rapport aux micro-ondes, les lasers ont une longueur d'onde mille fois plus courte, et ainsi former un faisceau beaucoup plus étroit d'Alpha Centauri à la Terre… L'avantage de transmettre 100 watts sur toute la surface du voilier est que le récepteur terrestre se réduit à un télescope de 30 mètres, quelque chose qui est très susceptible d'être là dans une décennie ou deux."

Le Dr Parkin a également ajouté qu'au cours de ce même laps de temps, les améliorations apportées aux filtres et aux détecteurs permettront de créer des réseaux de télescopes de classe mètre qui peuvent fonctionner ensemble pour recevoir des signaux du vaisseau spatial. Cependant, un tel système de communication a aussi son lot d'inconvénients, dont l'un est directement lié à sa nature de faisceau serré. Essentiellement, le réseau devra être pointé avec précision vers la Terre pour que les données soient reçues.

"Si le voilier détecte la direction relative du milieu interstellaire, qui renvoie à la Terre (ou, au moins, où était la Terre lorsque le voilier a décollé), " dit le Dr Parkin. " A partir de là, il devra trouver le soleil. Puis, parce que la largeur du faisceau n'est qu'un dixième de la distance du soleil à la Terre, le voilier devra calculer ou trouver la position relative de la Terre et pointer vers elle."

Cependant, cela peut être surmonté en envoyant plusieurs engins spatiaux, ce qui est en accord avec la vision globale de Starshot. Pendant des années, Breakthrough Initiatives a envisagé comment une flotte de « nanovaisseaux » tractés par des voiles légères qui ne pèsent que quelques grammes pourrait permettre le voyage et l'exploration interstellaires. Comme l'a expliqué le Dr Parkin :« L'économie favorise le lancement léger et souvent, comme un voilier de 4 grammes par semaine (le coût énergétique n'est que de 6 millions de dollars). Cela signifie qu'il n'y aura pas qu'une seule liaison descendante, mais de nombreuses liaisons descendantes. Vu de la Terre, les différents voiliers seront alignés dans le ciel, formant une sorte de pipeline de voiliers à différentes étapes de rendez-vous avec Alpha Centauri. »

Un avantage supplémentaire d'envoyer plusieurs engins spatiaux avec des liaisons descendantes directes, ajoute le Dr Parkin, est la possibilité de réticulations entre eux. Dans ce scénario, la connexion à la Terre deviendrait un pipeline de données à part entière, un pipeline dans un pipeline. Cela réduirait le risque de perdre des données essentielles et permettrait aux voiliers qui sont déjà passés par le système Alpha Centauri de relayer les informations à ceux qui sont encore en route.

Une dernière recommandation que le Dr Parkin a faite dans l'article était l'inclusion d'un algorithme distribué qui permettrait au vaisseau spatial de fonctionner en tandem et avec un certain degré d'autonomie, chacun chargé de cartographier une partie différente du système Alpha Centauri. Le Dr Parkin indique que cela réduirait le « cycle décision-acte, " qui est incroyablement lent sur les distances interstellaires :

« Les avantages de le faire sont énormes :l'ensemble du système pourrait être repéré et cartographié avant que les premières données n'atteignent la Terre. Théoriquement, le premier voilier pourrait repérer une planète lointaine comme un point de lumière qui se déplace entre les images, et sur cette base, contraindre son orbite pour que le prochain voilier puisse manœuvrer pour passer plus près, résolution des détails de surface. Les voiliers suivants peuvent créer des cartes, suivre les caractéristiques de surface, et découvrir la plupart des planètes et des lunes du système au fil du temps."

Pour tout casser, Le Dr Parkin envisage une flotte de voiliers effectuant des explorations automatisées de systèmes stellaires lointains. Le premier à entrer dans le système serait chargé de cartographier les planètes et les lunes, la prochaine vague caractériserait leurs orbites, et ceux qui suivront les observeront de près, cartographieront et surveilleront leurs surfaces.

A cet égard, le concept présenté ici répond à l'un des plus grands défis de l'exploration interstellaire, qui est la difficulté de communiquer avec des sondes sur de si grandes distances. Le professeur Abraham Loeb, professeur de sciences Frank B. Baird Jr. à l'Université Harvard et président du comité consultatif de Breakthrough Starshot, a déclaré à Universe Today par e-mail :

"Le lien de communication que l'article de Kevin aborde est l'un des plus grands défis du programme Starshot. La grande distance jusqu'à l'étoile la plus proche, 4,24 années-lumière, et la faible puissance de la transmission, implique un signal faible et donc un grand récepteur sur Terre. Il n'y a aucune possibilité d'envoyer des commandes au vaisseau spatial en temps réel car le trajet aller-retour le plus court de signaux lumineux prendrait 8,48 ans."

Finalement, Le Dr Parkin a abordé la question brûlante de savoir ce qui doit se passer avant qu'un projet de cette nature puisse être réalisé. Alors que le document présente plusieurs solutions créatives au défi des communications, l'un des problèmes les plus omniprésents qui se posent à Starshot est le fait que des avancées et des innovations futures sont nécessaires pour l'amener dans le domaine de la rentabilité.

"Pour réaliser toutes les capacités d'un voilier tel que décrit ici peut prendre 100 ans, ou il peut s'agir d'un sous-produit de la recherche commerciale au cours des prochaines décennies, ", a-t-il déclaré. "Les réseaux à commande de phase à micro-ondes sont utilisés depuis 50 ans, mais les réseaux optiques à commande de phase ne sont pas encore là, et demandera beaucoup de travail à intégrer dans une voile en céramique. La production d'énergie à partir du milieu interstellaire est sans doute unique à Starshot et nécessite des recherches, mais le gain est que la puissance disponible pour la liaison descendante est d'un ordre de grandeur supérieur à ce qui serait autrement possible."

Puis encore, tous les concepts d'exploration interstellaire ou de l'espace lointain présentent leur lot de défis, certains d'entre eux particulièrement intimidants. Et comme tant d'autres obstacles techniques auxquels l'équipe Starshot est confrontée, ces défis ont une façon d'inspirer des solutions créatives et innovantes. En attendant, tout ce que nous pouvons faire, c'est attendre et espérer que des progrès se produiront et créeront de nouvelles opportunités.

Les études précédentes du Dr Parkin incluent l'étude de 2018, "Le modèle révolutionnaire du système Starshot, " qui figurait dans Acta Astronautica . Cet article décrit en détail la mission et le concept de Starshot et comment cela profiterait à l'exploration humaine, non seulement dans le domaine interstellaire mais aussi dans le système solaire.