Si vous pensez que les technologies de Star Trek semblent farfelues, détrompez-vous. De nombreux appareils de la série télévisée acclamée deviennent lentement une réalité. Bien que nous ne téléportions peut-être pas de sitôt des personnes des vaisseaux spatiaux à la surface d'une planète, nous nous rapprochons du développement d'autres outils essentiels pour les futurs voyages spatiaux.

Je suis un fan de longue date de Star Trek, mais je suis aussi un chercheur spécialisé dans la création de nouveaux matériaux magnétiques. Le domaine de la physique de la matière condensée englobe toutes les nouvelles phases solides et liquides de la matière, et son étude a conduit à presque toutes les avancées technologiques du siècle dernier, des ordinateurs aux téléphones portables en passant par les cellules solaires.

Mon approche de la recherche de nouveaux phénomènes dans les matériaux vient d'une perspective de chimie :comment pouvons-nous créer des matériaux qui ont de nouvelles propriétés qui peuvent changer notre monde, et éventuellement être utilisé pour explorer "l'étrange, nouveaux mondes » ? Je crois qu'une compréhension des soi-disant « matériaux quantiques » en particulier est essentielle pour faire de la science-fiction un fait.

Matériaux quantiques

Qu'est-ce qui fait d'une substance un matériau quantique ? Les matériaux quantiques ont des propriétés inhabituelles et fantastiques qui découlent d'un nombre énorme de particules agissant de manière concertée.

Pensez à un chef d'orchestre dirigeant une symphonie :sans un certain ordre apporté à la musique, tout ce que vous avez, c'est du bruit. Plus vous avez de musiciens en décalage, plus vous aurez de bruit.

Un matériau quantique a tous les musiciens constitutifs - dans ce cas, les électrons ou atomes d'un matériau, ce qui représente des milliards et des milliards de particules - agissant d'une certaine manière selon les règles quantiques, ou la "partition musicale, " si vous voulez.

Au lieu du bruit des mouvements électroniques et atomiques aléatoires, avec un chef d'orchestre, vous obtenez de la musique - ou dans le cas de nouveaux matériaux, une nouvelle propriété qui émerge. L'utilisation de ces nouvelles propriétés pour les appareils est le moteur des révolutions technologiques auxquelles nous assistons aujourd'hui.

Champs magnétiques et boucliers

Donc, comment utiliser ces nouveaux matériaux dans les engins spatiaux de demain ? Un exemple pourrait être les boucliers de force qui protègent les navires dans Star Trek. Des champs magnétiques élevés pourraient être utilisés pour protéger les corps des projectiles entrants, surtout si les projectiles ont une charge électrique.

Comment créer de grands champs magnétiques ? Une solution consiste à utiliser un aimant supraconducteur. Les supraconducteurs ont des électrons qui conduisent l'électricité sans résistance à l'écoulement. L'une des conséquences de cela est que de grands champs magnétiques peuvent être générés - le courant supporté par un supraconducteur qui génère le champ magnétique peut être énorme sans détruire la supraconductivité elle-même.

Ces supraconducteurs sont utilisés chaque jour pour créer de grands champs magnétiques dans des endroits tels que les hôpitaux pour que les appareils d'IRM (imagerie par résonance magnétique) puissent voir à l'intérieur du corps.

Les supraconducteurs avancés pourraient avoir de nouvelles applications en tant que boucliers magnétiques pour les engins spatiaux. Imaginez votre vaisseau spatial recouvert d'un supraconducteur capable de générer un grand champ magnétique en appuyant simplement sur un interrupteur pour faire circuler le courant, créant un bouclier de force magnétique.

C'est exactement ce que les scientifiques de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, CERN, étudient :un nouveau bouclier magnétique pour les engins spatiaux — le diborure de magnésium supraconducteur, ou MgB₂.

Les supraconducteurs à bord des vaisseaux spatiaux

Un vaisseau spatial recouvert d'aimants supraconducteurs générerait une "magnétosphère" autour de l'engin qui pourrait être utilisée pour dévier des projectiles nocifs. Bien que nous n'ayons pas encore à nous soucier des torpilles Klingons, nous devons nous inquiéter des rayons cosmiques nocifs dans l'espace pour les futurs voyages dans l'espace.

Les rayons cosmiques sont généralement des particules chargées qui peuvent interférer avec l'électronique d'un vaisseau spatial, et plus important, donner aux astronautes une dose mortelle de rayonnement pendant les longs vols spatiaux.

Protéger les futurs engins spatiaux de ces rayons est d'une importance cruciale pour l'avenir de tout programme spatial, y compris les voyages sur Mars au cours des prochaines décennies. Et qui sait, avec les boucliers magnétiques supraconducteurs, vous pourrez peut-être échapper à une attaque romulienne en cours de route.

Obstacles techniques

Il y a un hic, toutefois. Les supraconducteurs ne fonctionnent pas à haute température et il n'y a pas de supraconducteur à température ambiante. Au-dessus d'une certaine température appelée "température critique, " le supraconducteur redevient " normal " et les électrons éprouvent à nouveau une résistance à l'écoulement. Pour le diborure de magnésium, cela se produit à une température très froide, autour de -248℃. C'est en fait bien pour l'espace interstellaire où la température de fond est beaucoup plus froide -270 ℃ environ, mais cela n'est pas propice à la visite d'engins spatiaux sur d'autres planètes plus chaudes.

Des scientifiques comme moi recherchent des supraconducteurs « à température ambiante » qui permettraient à ces boucliers de fonctionner à des températures beaucoup plus élevées. Cela permettrait également de nouvelles avancées pour la société, telles que des soins de santé moins chers, par exemple, car on n'aurait pas besoin de basses températures pour que les instruments d'IRM fonctionnent.

Cependant, la supraconductivité à haute température est un mystère depuis des décennies, et les progrès sont par incréments lents. En tant que personne qui travaille à la frontière entre la physique et la chimie, Je crois que la réponse se trouvera dans la découverte de nouveaux matériaux. Historiquement, c'est là que des progrès ont été réalisés pour élever la température critique à un au-dessus du point d'ébullition de l'azote liquide de -196℃.

Ces supraconducteurs seraient parfaits à utiliser comme boucliers magnétiques si vous exploriez de nombreuses régions de la galaxie. Mais ils ne fonctionneraient pas sur des planètes plus chaudes telles que Mars sans des quantités importantes de cryogènes pour garder les aimants froids.

Ordinateurs quantiques et révolution sociétale

La technologie supraconductrice aurait également diverses autres utilisations à bord des vaisseaux spatiaux. Les ordinateurs quantiques peuvent effectuer des opérations de plusieurs ordres de grandeur plus rapidement que les ordinateurs conventionnels, et serait sans aucun doute utilisé sur un vaisseau spatial moderne. Besoin d'envoyer un message crypté à Starfleet ? Si les Klingons ont un ordinateur quantique, ils pourraient être capables d'intercepter et de pirater votre message, vous feriez donc mieux de vous assurer que vous comprenez la technologie.

Et les systèmes électriques supraconducteurs seraient naturellement utilisés pour les appareils les plus efficaces, des moteurs de vaisseaux spatiaux aux tricordeurs utilisés dans les missions à distance. L'émergence des supraconducteurs à température ambiante déclencherait une transformation de notre société qui rivaliserait avec l'ère du silicium de l'électronique moderne. Leur découverte est un obstacle essentiel à franchir pour la prochaine partie de notre évolution en tant qu'espèce vers une nouvelle ère technologique.

Il serait tout à fait logique de poursuivre notre recherche d'un supraconducteur à température ambiante. Si seulement nous pouvions le faire. Les matériaux quantiques offrent d'étranges nouveaux mondes de découverte et les technologies que nous n'avons pas encore découvertes sont peut-être les plus excitantes, qui exploiteront les effets quantiques à une échelle que les humains peuvent facilement voir.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.