Un jour dans un futur pas si lointain, les voiles légères peuvent foncer dans l'espace à des vitesses d'environ 20 % de la vitesse de la lumière (ou 60, 000 km/s), propulsé non pas par du carburant mais plutôt par la pression de rayonnement des lasers à haute puissance sur Terre. Voyageant à ces vitesses relativistes, des voiles lumineuses à laser pourraient atteindre notre étoile voisine la plus proche (autre que le Soleil), Alpha Centauri, ou la planète potentiellement habitable connue la plus proche, Proxima Centauri b, dans environ 20 ans. Les deux objets sont à un peu plus de quatre années-lumière.

Concevoir des voiles légères est un défi d'ingénierie majeur, cependant, nécessitant des caractéristiques contradictoires qui semblent presque impossibles :une voile légère idéale doit être de plusieurs mètres de large et suffisamment robuste mécaniquement pour résister à une pression de rayonnement intense, pourtant être à peine 100 nanomètres d'épaisseur et ne peser que quelques grammes.

D'autres exigences découlent du mécanisme par lequel fonctionnent les voiles légères. D'après les équations de Maxwell, la lumière a de l'élan et, par conséquent, peut exercer une pression sur les objets. Cependant, les voiles légères ne sont pas simplement poussées par la pression des radiations comme un voilier est poussé par le vent. Au lieu, la poussée résulte de la voile légère réfléchissant le rayonnement. Par conséquent, une voile optimale doit refléter la majorité du rayonnement dans le spectre proche infrarouge du faisceau laser, tout en émettant simultanément un rayonnement dans l'infrarouge moyen pour un refroidissement radiatif efficace.

Voiles nanophotoniques

Dans une nouvelle étude publiée dans Lettres nano , chercheurs Ognjen Ilic, Cora est allée, et Harry Atwater au California Institute of Technology, Pasadéna, ont montré que les structures nanophotoniques pouvaient potentiellement répondre aux exigences matérielles strictes des voiles légères capables de se déplacer à des vitesses relativistes.

Les conceptions précédentes de voile légère ont utilisé des matériaux tels que l'aluminium ultrafin, divers polymères, et fibre de carbone. Contrairement à ces matériaux, les structures nanophotoniques ont la capacité de manipuler la lumière à des échelles inférieures à la longueur d'onde, leur donnant un avantage pour répondre aux exigences simultanées de propulsion efficace (réflexion) et de gestion thermique (émission). Par exemple, les chercheurs ont montré qu'un empilement à deux couches de silicium et de silice est prometteur en raison des propriétés combinées des deux matériaux. Alors que le silicium a un indice de réfraction élevé - ce qui correspond à une propulsion efficace - mais une faible capacité de refroidissement, la silice a de bonnes propriétés de refroidissement radiatif mais un indice de réfraction plus petit.

Dans leur papier, les chercheurs ont également proposé une nouvelle figure de mérite qui mesure le compromis entre la réalisation d'une faible masse de voile et une réflectivité élevée. À l'avenir, ce concept permettra de minimiser les contraintes sur la puissance laser et la taille du réseau laser.

Contexte sur les voiles légères

Bien que conceptualisé depuis près d'un siècle, ce n'est qu'au cours des dernières décennies que la technologie a rattrapé les premières visions des scientifiques de propulser un vaisseau spatial avec la pression de la lumière. Inspiré par la façon dont le rayonnement du Soleil pousse la queue d'une comète dans la direction opposée, les premiers concepts étaient des voiles solaires qui utilisent la pression de rayonnement de la lumière du soleil plutôt que des lasers.

La première voile solaire a été lancée en 2010 par l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA) et a atteint avec succès l'orbite de Vénus en six mois, alimenté uniquement par la pression de rayonnement de la lumière du soleil. Aujourd'hui, les chercheurs travaillent à la conception de voiles solaires capables de plus grandes accélérations qui sont compétitives avec l'accélération des fusées, offrant la possibilité de lancer des engins spatiaux sans le coût d'un milliard de dollars des propergols conventionnels.

Bien que les voiles solaires puissent atteindre des vitesses de fusée, le rayonnement solaire est relativement faible par rapport à un réseau laser de haute puissance. Par conséquent, un réseau laser offre le potentiel d'une propulsion beaucoup plus rapide, jusqu'à des vitesses relativistes, mais plus de travail est nécessaire avant que de telles voiles à laser soient démontrées.

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