5 grandes questions sur la technologie Starshot Nanocraft

Le milliardaire russe Yuri Milner et le célèbre astrophysique Stephen Hawking ont annoncé mardi un plan de 100 millions de dollars pour étudier Alpha Centauri, le système stellaire le plus proche de la Terre (situé à 4,37 années-lumière de la Terre). Le but, parmi plusieurs enquêtes scientifiques différentes, est de déterminer si des extraterrestres existent dans ce coin du bois ou, à tout le moins, s’il existe dans le système des planètes ou des lunes capables de supporter la vie.

Le projet consiste à envoyer des engins spatiaux ultra-légers (surnommés «StarChips») sur le chemin de l'Alpha Centauri, transportés par une voile de lumière propulsée par un faisceau lumineux de 100 gigawatts.

Ce n'est que la pointe de l'iceberg. Le plan dans son ensemble se présente soit comme un génie fou, soit tout simplement fou. Cependant, plus vous creusez, plus il semble que le plan de Milner et de son équipe soit réalisable.

C’est parce que la technologie qu’ils proposent n’est pas loin d’être envisageable. Cela dépasse certes l’imagination, mais cela ne le brise pas. La technologie lightsail est déjà testée par plusieurs groupes de recherche, dont celui organisé par Bill Nye. La montée en puissance de CubeSats en tant que moyen économique et peu coûteux de mener des recherches dans l’espace a vraiment montré tout le potentiel qu’il ya à gagner à la création d’engins spatiaux plus petits et plus légers. Les Nanocrafts présentés par Starshot ne sont qu'un pas logique dans cette direction.

Pourtant, il y a beaucoup des questions qui restent sur comment l'enfer Milner, Hawking, et même le fondateur de Facebook, Mark Zuckerberg (un investisseur), vont résoudre ce problème. Voici les cinq questions les plus importantes sur la technologie des nanomatériaux et le système de lancement de faisceaux lumineux - ainsi que des réponses qui pourraient donner un aperçu.

Les faisceaux lumineux comme technologie de propulsion - veuillez expliquer!

Le plan de lancement de ces nanocraft par Starshot ne nécessite ni carburant ni feu, il utilise la lumière et les lasers. Les lasers focalisés de haute puissance sont une source d’intrigue pour les ingénieurs en propulsion depuis des décennies, mais ce n’est que récemment que nous pouvons enfin concevoir l’utilisation de cette technologie dans plusieurs applications, notamment déplacer des débris orbitaux hors de la trajectoire de satellites critiques. Après tout, la lumière est une énergie capable d’exercer une force sur un système.

C’est pourtant le mot clé: concevoir. Nous n'avons pas encore construit de faisceau laser capable de tirer un autre objet dans l'espace à travers la force des photons. Les scientifiques travaillent sur des technologies de propulsion hybrides qui utiliseraient des lasers en combinaison avec des méthodes plus conventionnelles, mais pas en tant que propulseur unique.

Vous dites peut-être «mais alors comment une voile solaire est-elle censée fonctionner dans l’espace?». La technologie de la voile solaire préconise l’utilisation des photons produits par les rayons du soleil pour propulser la voile (et son vaisseau spatial) vers l’avant. La voile arrive à l’espace comme bon vieux: des roquettes.

Starshot affirme qu'un faisceau de lumière - une série de lasers installés à une échelle d'un kilomètre - pourrait potentiellement fournir jusqu'à 100 gigawatts d'énergie. Nous n’utiliserions pas un très grand laser, mais beaucoup plus petits. Peut-être des millions ou des centaines de millions.

Est-ce que cela pourrait être assez de force pour extraire les nanotransports de l’atmosphère terrestre et de leur attraction gravitationnelle? Peut être. Milner pense que Starshot a plus de chances en installant la rampe de lancement dans un environnement de haute altitude, comme le désert d’Atacama. (Voici quatre suggestions que nous avons faites aujourd’hui.) C’est également assez sec pour réduire les risques de formation de vapeur d’eau et créer un poids supplémentaire sur l’engin spatial ou gêner la force du laser lorsqu’il pousse l’engin spatial vers le haut.

Si tout se passe bien, les sondes se dirigeront vers Alpha Centauri à 100 millions de miles par heure et atteindront le système dans les 20 prochaines années.

Les voiles de lumière sont super minces et super délicates. Comment cette chose est-elle supposée survivre au lancement? Comment est-il censé survivre pendant vingt ans aux rochers et à la poussière qui tournent autour de l'espace?

Une voile de lumière est constituée d'un «métamatériau ultra-fin (un terme fourre-tout qui fait référence à des matériaux expérimentaux) conçu pour capter les photons venant d'une source de lumière et les utiliser comme une force de pression s'exerçant sur la voile elle-même. De ce fait, la voile peut avancer et même accélérer à des vitesses beaucoup plus élevées.

Comme je le disais, les voiles de lumière ne sont pas nouvelles Bill Nye et la Planetary Society ont travaillé sur un projet de phare visant à prouver la viabilité d’une telle technologie en tant que conception rentable de la propulsion d’engins spatiaux. La NASA lance le scoutisme d'astéroïdes proche de la Terre (NEA Scout) en 2018 à bord Orion pour la mission inaugurale du système de lancement spatial, qui se dirigera vers un astéroïde proche via une voile solaire extensible.

Les deux voiles de lumière se heurtent au même problème de collision avec la poussière et les débris interstellaires qui pourraient percer des trous dans la voile et faire dérailler l’ensemble. C’est une possibilité assez distincte, mais elle est limitée par quelques considérations.

Premièrement: l'espace est gros. Il y a beaucoup de particules de matière qui flottent, mais ce n’est pas comme ici sur Terre où les particules dans l’air sont partout où nous nous tournons. Les objets dans l’espace sont éloignés les uns des autres - pas moins de 10 à des millions, mais tout de même. La possibilité de frapper quelque chose - même si elle est réelle - est encore relativement éloignée.

Deuxièmement, ces voiles ont été spécialement conçues pour rester relativement solides sous les dommages. Prenez le scout NEA, par exemple. La NASA a testé la capacité de sa voile de lumière à maintenir son intégrité structurelle, même si elle se heurtait à quelques débris spatiaux ici et là. Tant qu’il n’y aura pas de blessure catastrophique (comme un astéroïde de la taille d’un Texas dans le vaisseau spatial), le Scout de la NEA pourra toujours avancer et se manœuvrer à la demande de la NASA.

Les nanotransports Starshot doivent également faire face à ces problèmes. Leurs voiles de lumière devraient s’étirer sur une échelle de quelques mètres, elles seront donc assez petites. Mais ils auront une épaisseur de quelques centaines d’atomes et une masse d’environ un gramme. Ils sont suffisamment petits pour éviter la quasi-totalité des types d’objets venant en sens inverse qui flottent dans l’espace - mais avec la chance malheureuse qu’ils se font toucher, tout le vaisseau spatial sera probablement détruit. Et nous ne savons presque rien sur le contenu en poussière d'Alpha Centauri.

Mais il y a un gros problème que doit résoudre le nano-vaisseau seul: ne pas tomber en morceaux lors du lancement du faisceau lumineux. La voile devrait être touchée par un faisceau représentant environ 60 fois la lumière du soleil qui frappe la Terre à tout moment. La voile doit non seulement empêcher la fonte, mais aussi réussir à pénétrer dans l’espace sans se faire déchirer par les forces atmosphériques. On estime qu'une part sur 100 000 du laser suffirait à faire évaporer la voile. Cela n'a jamais été fait auparavant. On ne sait pas combien de tests le projet Starshot devra effectuer avant de réussir cette partie.

Comment fonctionne le StarChip? Quels types de données est-il censé collecter?

Les StarChips, construits à l’échelle d’un gramme et capables de tenir dans la paume de la main, ne seront pas le système à la pointe de la technologie utilisé par le rover Curiosity ou le télescope spatial Kepler pour nous aider. étudier différents mondes dans l'espace. Ils seront très basiques. L'objectif est de coller quatre caméras (deux mégapixels chacune) sur la puce, ce qui permettra une imagerie très élémentaire d'Alpha Centauri et des différentes planètes et lunes du système.

Ces données seraient retransmises sur Terre à l'aide d'une antenne rétractable d'un mètre de long, ou peut-être même à l'aide du câble optique, afin de faciliter les communications au laser susceptibles de focaliser un signal vers la Terre.

Cela semble assez standard. Qu'est-ce que ces images sont censées nous montrer exactement?

Là se trouve un autre inconnu. Lorsque les astronomes évaluent le potentiel des autres mondes d’être habitables, ils examinent une multitude de données différentes, telles que les températures de la planète, la composition, la distance de l’étoile hôte, les signes d’une atmosphère présente - et bien plus encore. Une grande partie de ces informations ne peuvent être mesurées que par différents types de caméras capables de voir à travers le spectre électromagnétique. À ce stade, les nanotransports fonctionneraient sur des caméras assez proches de celles que nous utilisons sur nos smartphones. C’est à peine utile pour vraiment comprendre si une planète ou une lune peut soutenir une vie quelconque, ou présente déjà des signes de vie.

Cependant, l’objectif est d’envoyer plusieurs petits engins spatiaux vers un système distant qui plusieurs A moins de deux décennies des années-lumière, vous devez réduire les coûts quelque part.

Même si cette chose survit au voyage vers Alpha Centauri, comment est-il supposé vivre suffisamment longtemps pour collecter suffisamment de données utiles?

La longévité est cruciale pour le projet Starshot. Les nanomatériaux doivent rester motorisés pendant plusieurs décennies pour exploiter pleinement leur potentiel de recherche. À cette fin, l’initiative Breakthrough propose une source d’énergie embarquée à base de plutonium 238 ou d’américium 241, ne pesant pas plus de 150 milligrammes.

Fondamentalement, lors de la désintégration de l'isotope du plutonium ou de l'américium, elle chargerait un ultra-condensateur qui allume les composants StarChip nécessaires pour capturer des images et les retransmettre sur Terre. Une source d’énergie thermoélectrique pourrait également être mise en œuvre pour tirer parti de la hausse des températures de surface frontale des nanotransports à mesure qu’elle commence à s’approcher des atmosphères des autres mondes.

Le photovoltaïque - transformer la lumière du soleil en énergie - est également à l'étude. Un prototype de voile solaire qui a été testé par le Japon il y a environ six ans, IKAROS, a peint la surface de sa voile solaire avec une technologie photovoltaïque. Cela n’est pas pratique lorsque le nanocraft l’écarte enfin des limites du système solaire, mais pourrait être utile pendant cette période pour économiser encore plus de batterie.

La grande question est de savoir si vous pouvez conserver de tels matériaux peu coûteux viables pendant 20 à 50 ans. Dans un scénario idéal, ce qui est probablement le plus susceptible de se produire est que chaque nanocraft ne sera censé collecter des données que pendant une période relativement courte - environ quelques mois. Si Milner et sa compagnie sont vraiment déterminés à produire en masse ces choses, ils ne devraient plus avoir aucun problème à envoyer un groupe dans toutes les directions pour explorer autant qu’ils le peuvent sur Alpha Centauri. Il est peu pratique de s’attendre à ce que chacun d’entre eux fonctionne pendant des années, si nous ne pouvons pas intervenir directement et changer leurs mouvements dans de nouvelles directions.

Coût

L’objectif exprimé par Milner est de fabriquer chaque nanocraft à peu près tout le coût de la construction d’un iPhone. Chaque combinaison SmartChip et lightsail ne devrait pas dépasser quelques centaines de dollars. L'objectif est de continuer à ajouter de meilleures technologies à mesure qu'elles deviennent de moins en moins chères au fil des ans.

En réalité, la partie la plus chère (et sans doute la moins faisable) de ce projet est le faisceau lumineux. Nous parlons de 100 gigawatts de puissance pendant deux minutes afin de tirer le feu. Un seul gigawatt peut alimenter 700 000 foyers. Cela suffit donc pour 70 000 000 de foyers.

C’est suffisant pour alimenter plusieurs petits pays. C'est 100 fois la quantité produite par une centrale nucléaire typique. C’est époustouflant d’imaginer même comment ils vont rassembler autant d’énergie en un seul endroit pour lancer une série de nanocraft dans l’espace.

Selon un intervenant sur le site Web de Breakthrough, le coût total d'un faisceau de phare serait de 70 000 dollars.

Oui, nous verrons cela…