De nouveaux systèmes de propulsion à énergie dirigée pourraient permettre les premières missions interstellaires, avec petit, vaisseau spatial robotique explorant les systèmes solaires voisins, selon le cosmologiste expérimental Philip Lubin. Il présentera ces avancées et d'autres au congrès laser de l'Optical Society (OSA), Série de haut-parleurs Light the Future, 4-8 novembre à Boston.

Imaginez un vaisseau spatial ultra-fin alimenté par une lumière laser capable d'atteindre des vitesses supérieures au quart de la vitesse de la lumière, suffisamment rapides pour atteindre l'étoile voisine la plus proche de notre système solaire en 20 ans, ou quelque chose de plus près de chez moi, comme amener des gens sur Mars en un mois. En puisant dans la propulsion pilotée par la photonique, les chercheurs sont en bonne voie pour faire de cette réalisation de science-fiction apparemment impossible une réalité, dit Lubin, qui est professeur de physique à l'Université de Californie, Santa Barbara.

Les résultats de recherche que Lubin décrira proviennent des programmes Starlight et Breakthrough Starshot de la NASA, les deux soutiennent la recherche avancée en photonique. Lubin est directeur du programme Starlight.

"Photonique, la production et la manipulation de la lumière, fait déjà partie de notre vie quotidienne, des téléphones portables aux ordinateurs en passant par les ampoules à diodes électroluminescentes (DEL) et les fibres optiques qui transportent vos données partout, même si vous ne les voyez peut-être pas, " a déclaré Lubin. " Vous pouvez citer des exemples pratiques de photonique dans la vie quotidienne et cela semble n'avoir rien à voir avec le vol interstellaire, mais en fait c'est le cas, car il est en synergie avec la technologie dont vous avez besoin pour réaliser un vol interstellaire."

L'un des plus grands défis dans la validation de ce concept photonique en ce qui concerne la propulsion est la démonstration de la puissance laser requise pour accélérer le vaisseau spatial proposé/hypothétique, selon Lubin.

Optique de synthèse pour systèmes de propulsion à énergie dirigée

Les grands systèmes d'énergie dirigée ne sont pas construits à l'aide d'un seul laser gigantesque, mais comptez plutôt sur la combinaison de faisceaux, ce qui implique l'utilisation de nombreux amplificateurs laser de puissance très modeste.

"Notre système s'appuie sur une typologie établie appelée conception 'Master Oscillator Power Amplifier', " a déclaré Lubin. " C'est un système distribué, donc chaque "bloc de construction" d'amplificateur laser est compris entre 10 et 1000 watts. Vous pouvez le tenir dans votre main. Au lieu de construire un laser gigantesque, vous combinez beaucoup de petits petits amplificateurs laser qui, lorsqu'ils sont combinés, forment un système extrêmement puissant et révolutionnaire."

Lubin suggère une analogie avec les supercalculateurs, qui sont construits à l'aide d'un grand nombre d'unités centrales de traitement (CPU). "En combinant de manière cohérente des milliards d'amplificateurs de puissance laser à faible pose - similaire à la même puissance d'une LED domestique moderne typique - vous avez soudainement ce système d'énergie dirigée incroyablement capable, " il a dit.

Sondes interstellaires alimentées par la lumière laser

Les systèmes d'énergie dirigée pourraient permettre des sondes interstellaires dans le cadre de l'exploration humaine dans un avenir pas si lointain, et ils sont au cœur du programme Starlight de la NASA et de la Breakthrough Starshot Initiative pour permettre les premières missions interstellaires de l'humanité. La même technologie de base a de nombreuses autres applications, tels que les voyages interplanétaires rapides pour les missions de masse, y compris ceux qui transportent des personnes ; défense planétaire; et la recherche de l'intelligence extraterrestre (SETI).

"Notre objectif principal est actuellement de très petits engins spatiaux robotiques. Ils ne transporteront pas d'humains à bord - ce n'est pas l'objectif de la partie interstellaire de notre programme, " dit Lubin. " Si l'humanité veut explorer d'autres mondes en dehors de notre système solaire, il n'y a pas d'autres options de propulsion physiquement disponibles pour ce faire, à deux exceptions près.

"Une solution serait de maîtriser une approche technologique connue sous le nom de moteurs d'annihilation de l'antimatière, qui sont des systèmes de propulsion théoriques qui génèrent une poussée basée sur l'énergie libérée par des interactions au niveau des particules subatomiques. Mais nous n'avons actuellement aucun moyen de le faire, " Lubin a dit, "Et cela implique un certain nombre de complexités que nous n'avons pas de chemin à résoudre actuellement.

"L'autre option est l'énergie dirigée ou la propulsion photonique, c'est celui sur lequel nous nous concentrons car il semble faisable, " dit Lubin. Dans une variante, La propulsion à énergie dirigée est similaire à l'utilisation de la force de l'eau d'un tuyau d'arrosage pour pousser une balle vers l'avant. De minuscules engins spatiaux interstellaires (généralement moins d'un kilogramme et certains qui sont des engins spatiaux sur une plaquette) peuvent être propulsés et dirigés via une lumière laser, il a dit.

"La miniaturisation des engins spatiaux n'est pas nécessaire pour tous les scénarios de mission que nous envisageons, mais plus la masse du vaisseau spatial est faible, plus vous pouvez aller vite, " a déclaré Lubin. "Ce système évolue de différentes manières que la propulsion à éjection de masse ordinaire."

Jusque là, toutes les fusées qui ont décollé de la Terre sont basées sur des systèmes de propulsion chimique dont les conceptions de base remontent à la Seconde Guerre mondiale. Ils sont à peine capables de sortir de la surface de la Terre et de se mettre en orbite. Faire une plus grosse fusée ne la fait pas aller plus vite, cela permet simplement à la fusée de transporter plus de masse. La propulsion photonique fonctionne différemment, car moins la charge utile est dense, plus vous allez vite. Vous voulez donc baisser la masse pour aller plus vite.

Comme conduire dans une tempête de pluie - dans l'espace

Un défi important pour les engins spatiaux relativistes est le durcissement par rayonnement, car "quand nous commençons à atteindre des vitesses proches de la vitesse de la lumière, les particules dans l'espace interstellaire, protons en particulier, dans lesquels vous labourez - ignorez les grains de poussière pour le moment - sont la principale source de rayonnement, " dit Lubin. " L'espace n'est pas vide; il a environ un proton et un électron par centimètre cube, ainsi qu'une poignée d'hélium et d'autres atomes."

L'écrasement de ces particules peut être important à grande vitesse, car même si elles se déplacent lentement dans leur propre cadre de référence, pour un vaisseau spatial en mouvement rapide, ils permettent des impacts à grande vitesse.

« Quand vous les frappez, c'est comme conduire sous une pluie battante. Même si la pluie tombe directement du ciel, votre pare-brise est plâtré parce que vous allez vite – et c'est un effet assez sérieux pour nous, " a déclaré Lubin. " Nous obtenons d'énormes charges de rayonnement sur le bord d'attaque alors que l'avant est absolument écrasé, alors que le reste du vaisseau spatial qui n'est pas le bord avant et fait face dans des directions différentes n'est pas du tout touché. C'est un problème intéressant et unique, et nous travaillons sur ce qui se passe lorsque vous les parcourez."

En termes de calendrier de mise en œuvre de la technologie de propulsion à énergie dirigée, "Nous produisons des démonstrations en laboratoire de chaque partie du système, " a déclaré Lubin. " La pleine capacité est dans plus de 20 ans, bien que des missions de démonstration soient réalisables d'ici une décennie."

Aller sur Mars rapidement

La même technologie photonique de base dans le programme NASA Starlight permet également des missions interplanétaires extrêmement rapides, y compris des missions vers Mars qui pourraient transporter des personnes dans des voyages aussi courts qu'un mois. Cela réduirait considérablement les dangers pour les humains lors du long voyage vers la planète rouge et est actuellement à l'étude comme une option.

Enquête Planète Trillion

Les progrès de la photonique signifient également que nous pouvons désormais laisser une lumière allumée pour l'intelligence extraterrestre dans l'univers si nous voulons être trouvés - au cas où il y aurait une autre vie intelligente qui voudrait également connaître la réponse à la question, "Sommes-nous seuls"?

Les étudiants de Lubin explorent ce concept dans leur expérience "Trillion Planet Survey". Cette expérience recherche maintenant activement la galaxie voisine Andromède, qui compte environ mille milliards de planètes, et d'autres galaxies ainsi que la nôtre pour les signaux lumineux.

Combinant les recherches de Lubin avec l'expérience de ses étudiants, il y a des occasions de signaler la vie. Lorsque les avancées technologiques permettent la démonstration de lasers suffisamment puissants pour propulser le minuscule vaisseau spatial, ces lasers pourraient également être utilisés pour éclairer une balise vers la galaxie d'Andromède dans l'espoir que toute forme de vie là-bas puisse découvrir et détecter cette source de lumière dans leur ciel.

Le cas inverse est plus intéressant. Peut-être qu'une autre civilisation existe avec des capacités similaires à celles que nous développons actuellement en photonique. Ils peuvent se rendre compte, comme nous faisons, que la photonique est un moyen extrêmement efficace d'être détectée sur de vastes distances bien au-delà de notre galaxie. S'il existe une civilisation extraterrestre qui diffuse sa présence via des faisceaux optiques, comme celles proposées pour la propulsion photonique, ils sont candidats à être détectés par un levé optique à grande échelle tel que le Trillion Planet Survey de l'équipe Lubin.

"Si la longueur d'onde de transmission d'un faisceau extraterrestre est détectable, et a été assez longtemps, nous devrions être capables de détecter le signal d'une source n'importe où dans notre galaxie ou de galaxies proches avec des télescopes relativement petits sur Terre, même si aucune des "parties" ne sait que l'autre existe et ne sait "où pointer, '", a déclaré Lubin. Ce scénario "aveugle-aveugle" est la clé de la "Recherche d'intelligence dirigée", comme Lubin appelle cette stratégie.

Défense planétaire

L'une des utilisations les plus intrigantes de la photonique – plus près de chez nous – est peut-être de l'exploiter pour aider à défendre la Terre contre les menaces externes telles que les impacts d'astéroïdes et de comètes.

Le même système que les chercheurs commencent à développer pour la propulsion peut être utilisé pour la défense planétaire en concentrant le faisceau sur l'astéroïde ou la comète. Cela endommage la surface, et comme des portions de la surface sont éjectées pendant la réaction avec la lumière laser, l'élan pousserait les débris dans un sens et l'astéroïde ou la comète dans la direction opposée. Ainsi, petit à petit, il détournera la menace, dit Lubin.

"Les implications à long terme pour l'humanité sont assez importantes, " a-t-il ajouté. " Bien que la plupart des menaces d'astéroïdes ne soient pas des menaces existentielles, ils peuvent être assez dangereux comme nous l'avons vu à Chelyabinsk, Russie en 2013 et à Toungouska, Russie en 1908. Malheureusement, les dinosaures manquaient de photonique pour empêcher leur disparition. Peut-être serons-nous plus sages."