L’avenir de l’exploration spatiale comprend des projets plutôt ambitieux visant à envoyer des missions plus loin que jamais de la Terre. Au-delà des propositions actuelles visant à construire des infrastructures dans l'espace cis-lunaire et à envoyer des missions régulières avec équipage sur la Lune et sur Mars, il est également prévu d'envoyer des missions robotiques dans le système solaire externe, à la distance focale de la lentille gravitationnelle de notre soleil, et même à les étoiles les plus proches pour explorer les exoplanètes. Atteindre ces objectifs nécessite une propulsion de nouvelle génération capable de permettre une poussée élevée et une accélération constante.

Les réseaux focalisés de lasers (ou énergie dirigée (DE)) et les voiles lumineuses sont des moyens qui font l'objet de recherches approfondies, comme Breakthrough Starshot et Swarming Proxima Centauri. Au-delà de ces propositions, une équipe de l'Université McGill à Montréal a proposé un nouveau type de système de propulsion à énergie dirigée pour explorer le système solaire. Dans un article récent, l'équipe a partagé les premiers résultats de son installation de propulseur à propulsion thermique laser (LTP), ce qui suggère que la technologie a le potentiel de fournir à la fois une poussée élevée et une impulsion spécifique pour les missions interstellaires.

L'équipe de recherche était dirigée par Gabriel R. Dube, stagiaire en recherche de premier cycle au Groupe de recherche expérimentale sur le vol interstellaire de McGill (IFERG), et le professeur agrégé Andrew Higgins, chercheur principal de l'IFERG. Ils ont été rejoints par Emmanuel Duplay, chercheur diplômé de la Technische Universiteit Delft (TU Delft); Siera Riel, assistante de recherche d'été à l'IFERG; et Jason Loiseau, professeur agrégé au Collège militaire royal du Canada.

L'équipe a présenté ses résultats lors du Forum et exposition scientifique et technologique de l'AIAA 2024 et dans un article paru dans le Forum AIAA SCITECH 2024. .

Higgins et ses collègues ont initialement proposé ce concept dans un article de 2022 paru dans Acta Astronautica. intitulé "Conception d'une mission de transit rapide vers Mars utilisant une propulsion laser-thermique."

Comme Universe Today le rapportait à l'époque, le LTP s'inspirait de concepts interstellaires comme Starshot et Project Dragonfly. Cependant, Higgins et ses associés de McGill s'intéressaient à la façon dont la même technologie pourrait permettre des missions de transit rapide vers Mars en seulement 45 jours et dans tout le système solaire. Cette méthode, ont-ils soutenu, pourrait également valider les technologies impliquées et servir de tremplin vers des missions interstellaires.

Comme Higgins l'a déclaré à Universe Today par e-mail, le concept leur est venu pendant la pandémie alors qu'ils ne pouvaient pas accéder à leur laboratoire :

"[M]es étudiants ont réalisé une étude conceptuelle détaillée sur la façon dont nous pourrions utiliser le type de grands réseaux laser envisagés pour le Breakthrough Starshot pour une mission à plus court terme dans le système solaire. Plutôt qu'à 10 km de diamètre, 100- Laser GW envisagé pour Breakthrough Starshot, nous nous sommes limités à un laser de 10 m de diamètre et 100 MW et avons montré qu'il serait capable de fournir de l'énergie à un vaisseau spatial jusqu'à presque la distance de la lune en chauffant le propulseur à hydrogène à 10 000 s. de K, le laser permet le « Saint Graal » d'une poussée élevée et d'une impulsion spécifique élevée. "

Le concept est similaire à la propulsion nucléaire thermique (NTP), que la NASA et la DARPA développent actuellement pour des missions de transit rapide vers Mars. Dans un système NTP, un réacteur nucléaire génère de la chaleur qui provoque la dilatation du propulseur d'hydrogène ou de deutérium, qui est ensuite focalisé à travers des tuyères pour générer une poussée.

Dans ce cas, les lasers à réseau phasé sont focalisés dans une chambre de chauffage à hydrogène, qui est ensuite évacuée par une buse pour réaliser des impulsions spécifiques de 3 000 secondes. Depuis que Higgins et ses étudiants sont retournés au laboratoire, a-t-il déclaré, ils ont tenté de vérifier expérimentalement leur idée :

"Évidemment, nous n'avons pas de laser de 100 MW à McGill, mais nous avons maintenant une installation laser de 3 kilowatts dans le laboratoire (ce qui est déjà assez effrayant) et étudions comment le laser couplerait son énergie à un propulseur ( éventuellement de l'hydrogène, mais pour l'instant de l'argon simplement parce qu'il est plus facile à ioniser). L'article de l'AIAA rend compte de la conception, de la construction et du « shake-down » de notre installation laser de 3 kW. "

Higgins et son équipe ont construit un appareil contenant 5 à 20 bars d'argon statique à partir de leurs tests. Alors que le concept final utilisera de l’hydrogène gazeux comme propulseur, ils ont utilisé de l’argon gazeux pour le test car il est plus facile à ioniser. Ils ont ensuite tiré le laser de 3 kW par impulsions à une fréquence de 1 070 nanomètres (correspondant à la longueur d’onde du proche infrarouge) pour déterminer la puissance seuil nécessaire au plasma soutenu par laser (LSP). Leurs résultats ont indiqué qu'environ 80 % de l'énergie laser était déposée dans le plasma, ce qui est cohérent avec les études précédentes.

Les données de pression et spectrales acquises ont également révélé la température maximale du LSP avec le gaz de travail, bien qu'ils soulignent que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour obtenir des résultats concluants. Ils ont également souligné qu'un appareil dédié est nécessaire pour effectuer des tests à flux forcé et d'autres tests LSP. Enfin, l'équipe prévoit d'effectuer des mesures de poussée plus tard cette année pour évaluer l'accélération (delta-v) et l'impulsion spécifique (Isp) qu'un système de propulsion laser-thermique peut fournir pour les futures missions vers Mars et d'autres planètes du système solaire. /P>

Si la technologie est à la hauteur, nous pourrions envisager un système capable d’envoyer des astronautes sur Mars en quelques semaines plutôt qu’en quelques mois. Parmi les autres concepts sélectionnés pour le NIAC cette année figurent des tests visant à évaluer les systèmes d'hibernation pour des missions de longue durée en microgravité. Seules ou en combinaison, ces technologies pourraient permettre des missions de transport rapide nécessitant moins de fret et de fournitures et minimisant l'exposition des astronautes à la microgravité et aux radiations.

Plus d'informations : Gabriel R. Dubé et al, Laser-Sustained Plasma for Deep Space Propulsion:Initial LTP Thruster Results, Forum AIAA SCITECH 2024 (2024). DOI :10.2514/6.2024-2029

Fourni par Universe Today