Les astronomes attendent depuis des décennies le lancement du télescope spatial James Webb, qui promet de regarder plus loin dans l'espace que jamais. Mais si les humains veulent réellement atteindre notre voisin stellaire le plus proche, ils devront attendre un peu plus longtemps :une sonde envoyée vers Alpha Centauri avec une fusée aurait besoin d'environ 80 000 ans pour faire le voyage.

Igor Bargatin, professeur agrégé au Département de génie mécanique et de mécanique appliquée, tente de résoudre ce problème futuriste avec des idées tirées de l'une des plus anciennes technologies de transport de l'humanité :la voile.

Dans le cadre de la Breakthrough Starshot Initiative, lui et ses collègues conçoivent la taille, la forme et les matériaux d'une voile poussée non pas par le vent, mais par la lumière.

Utilisant des matériaux nanoscopiquement fins et un réseau de lasers puissants, une telle voile pourrait transporter une sonde de la taille d'une micropuce à un cinquième de la vitesse de la lumière, suffisamment rapide pour faire le voyage vers Alpha Centauri en environ 20 ans, plutôt que des millénaires.

"Atteindre une autre étoile au cours de notre vie va nécessiter une vitesse relativiste, ou quelque chose approchant la vitesse de la lumière", a déclaré Bargatin. "L'idée d'une voile légère existe depuis un certain temps, mais nous cherchons juste maintenant à faire en sorte que ces conceptions survivent au voyage."

Une grande partie des recherches antérieures dans le domaine ont supposé que le soleil fournirait passivement toute l'énergie dont les voiles légères auraient besoin pour se déplacer. Cependant, le plan de Starshot pour amener ses voiles à des vitesses relativistes nécessite une source d'énergie beaucoup plus ciblée. Une fois la voile en orbite, un ensemble massif de lasers au sol dirigeraient leurs faisceaux dessus, fournissant une intensité lumineuse des millions de fois supérieure à celle du soleil.

Étant donné que la cible des lasers serait une structure de trois mètres de large mille fois plus fine qu'une feuille de papier, trouver comment empêcher la voile de se déchirer ou de fondre est un défi de conception majeur.

Bargatin, Deep Jariwala, professeur adjoint au Département de génie électrique et des systèmes, et Aaswath Raman, professeur adjoint au Département de science et génie des matériaux à l'UCLA Samueli School of Engineering, ont maintenant publié une paire d'articles dans la revue Nano-lettres qui décrivent certaines de ces spécifications fondamentales.

Un article, dirigé par Bargatin, démontre que les voiles légères de Starshot - proposées pour être construites à partir de feuilles ultrafines d'oxyde d'aluminium et de bisulfure de molybdène - devront gonfler comme un parachute plutôt que de rester à plat, comme le supposaient la plupart des recherches précédentes.

"L'intuition ici est qu'une voile très tendue, que ce soit sur un voilier ou dans l'espace, est beaucoup plus sujette aux déchirures", explique Bargatin. "C'est un concept relativement facile à comprendre, mais nous avons dû faire des calculs très complexes pour montrer comment ces matériaux se comporteraient à cette échelle."

Plutôt qu'une feuille plate, Bargatin et ses collègues suggèrent qu'une structure incurvée, à peu près aussi profonde que large, serait plus à même de résister à la tension de l'hyper-accélération de la voile, une traction des milliers de fois supérieure à celle de la gravité terrestre. /P>

"Les photons laser rempliront la voile un peu comme l'air gonfle un ballon de plage", déclare Matthew Campbell, chercheur postdoctoral dans le groupe de Bargatin et auteur principal du premier article. "Et nous savons que les conteneurs légers et sous pression doivent être sphériques ou cylindriques pour éviter les déchirures et les fissures. Pensez aux réservoirs de propane ou même aux réservoirs de carburant des fusées."

L'autre article, dirigé par Raman, donne un aperçu de la façon dont la structuration à l'échelle nanométrique dans la voile pourrait dissiper plus efficacement la chaleur qui accompagne un faisceau laser un million de fois plus puissant que le soleil.

"Si les voiles absorbent ne serait-ce qu'une infime fraction de la lumière laser incidente, elles chaufferont à des températures très élevées", a expliqué Raman. "To make sure they don't just disintegrate, we need to maximize their ability to radiate their heat away, which is the only mode of heat transfer available in space."

Earlier light-sail research showed that using a photonic crystal design, essentially studding the sail's "fabric" with regularly spaced holes, would maximize the structure's thermal radiation. The researchers' new paper adds another layer of periodicity:swatches of sail fabric lashed together in a grid.

With the spacing of the holes matching the wavelength of light and the spacing of the swatches matching the wavelength of thermal emission, the sail could withstand an even more powerful initial push, reducing the amount of time the lasers would need to stay on their target.

"A few years ago, even thinking or doing theoretical work on this type of concept was considered far-fetched," Jariwala says. "Now, we not only have a design, but the design is grounded in real materials available in our labs. Our plan for the future would be to make such structures at small scales and test them with high-power lasers."

Pawan Kumar, a postdoctoral researcher in Jariwala's lab, as well as John Brewer and Sachin Kulkarni, members of Raman's lab at UCLA Samueli, contributed to this research. + Explorer plus loin

Issues still to be addressed for Breakthrough Starshot project