Un petit vaisseau spatial en essaim pourrait établir des communications avec Proxima Centauri

Réaliser le voyage interstellaire est le rêve d’innombrables générations, mais les défis restent monumentaux. Outre les vastes distances impliquées, il y a aussi les besoins énergétiques prohibitifs et le coût considérable de l’assemblage du vaisseau spatial qui pourrait survivre au voyage. À l’heure actuelle, la meilleure solution pour réaliser une mission interstellaire dans un délai raisonnable (c’est-à-dire la durée de vie d’une seule personne) est de construire un vaisseau spatial à l’échelle d’un gramme associé à des voiles lumineuses. Grâce à des réseaux laser de haute puissance, ces engins spatiaux pourraient être accélérés à une fraction de la vitesse de la lumière (vitesses relativistes) et atteindre les étoiles proches en quelques décennies.

Il existe actuellement deux projets majeurs qui tentent de mettre en œuvre cette technologie, notamment Breakthrough Starshot et Project Lyra, qui visent à atteindre Alpha Centauri 20 ans après son lancement et à rattraper ‘Oumuamua (respectivement). Cette technologie présente également d’autres opportunités, comme faciliter les communications à travers les distances interstellaires. C’est l’idée récemment d’une équipe de chercheurs dirigée par le Initiative pour les études interstellaires (i4est). Dans un article récent, ils ont recommandé que un essaim de vaisseaux spatiaux à l’échelle d’un gramme pourraient compter sur leur laser de lancement pour maintenir les communications optiques avec la Terre.

L’étude a été dirigée par T. Marshall Eubanksscientifique en chef à Initiatives spatiales inc., président-directeur général d’Asteroid Initiatives LLC. et ancien directeur technique du groupe Liftport. Il a été rejoint par l’ingénieur électricien de Space Initiatives W. Paul Blaseprofesseur agrégé Andreas M. Hein de l’Université du Luxembourg et ancien directeur exécutif de l’Initiative for Interstellar Studies (i4is), chercheur i4is Adam Hibberdet i4is directeur de la géo-ingénierie et de l’utilisation des ressources Robert G. Kennedy III. Une prépublication de leur article est disponible en ligne et sera publiée dans le Défi révolutionnaire Starshot Communications.

Depuis de nombreuses années, l’i4is travaille dans le cadre du projet Lyra pour trouver des moyens optimaux d’explorer les systèmes stellaires proches en utilisant des flottes (1 000 ou plus) de vaisseaux spatiaux à l’échelle du gramme. Comme Starshot, ces efforts ont commencé avec Projet Libellule (une étude de faisabilité organisée par i4is en 2015) pour un petit vaisseau spatial distribué léger, propulsé principalement par des voiles laser. Selon les spécifications de l’étude, ces engins spatiaux devraient être réalisables en utilisant la technologie et l’infrastructure spatiale disponibles dans les décennies à venir et capables d’atteindre les étoiles proches d’ici un siècle.

Parmi les astrophysiciens, les engins à l’échelle gramme et les voiles laser sont considérés comme les seuls moyens viables pour lancer l’exploration interstellaire dans un avenir prévisible. Mais alors que certaines architectures de mission envisagent d’envoyer une seule mission avec une grande voile lumineuse, le projet Lyra envisage d’utiliser un réseau de lasers de puissance pour envoyer des essaims de vaisseaux spatiaux qui pourraient explorer collectivement des systèmes stellaires lointains et des exoplanètes. Comme l’équipe d’étude l’a dit à Universe Today par e-mail :

“Les limites réalistes (puissance d’environ 100 gigawatts, coût d’environ 100 milliards de dollars) dans un avenir prévisible (ce siècle) pour un système de lancement laser imposent une limite supérieure (quelques grammes) sur ce que vous pouvez pousser avec le laser jusqu’à près de 100 gigawatts de puissance, environ 100 milliards de dollars de coût). vitesses relativistes (~10-20% de la lumière). Si nous voulons envoyer des engins spatiaux vers les étoiles les plus proches dans un délai raisonnable (des décennies plutôt que des siècles), nous nous limiterons aux engins spatiaux à l’échelle du gramme. Cependant, c’est la limite à la masse d’un seul vaisseau spatial. Le principal coût fixe réside dans le « système », et non dans le coût marginal des minuscules engins spatiaux eux-mêmes ou de l’énergie nécessaire à leur lancement. Si nous pouvons en envoyer un, nous pouvons en envoyer plusieurs, et autant le faire.

Néanmoins, le concept présente de nombreux défis, notamment la nécessité d’une protection contre les particules dans le milieu interstellaire (ISM) et les communications à large bande passante, qui deviennent toutes deux délicates à des vitesses relativistes. En outre, les distances interstellaires posent également un défi important en matière de communications et de suivi, en particulier lorsque de minuscules engins spatiaux sont impliqués. Cependant, comme l’a expliqué l’équipe d’étude, l’architecture de mission proposée (des essaims de vaisseaux spatiaux) présente quelques solutions possibles.

“Un seul vaisseau spatial à l’échelle d’un gramme, doté d’une alimentation électrique et d’un système de communication réalistes, sera très difficile à détecter à des distances interstellaires”, ont-ils déclaré. « Le débit binaire qu’un petit vaisseau spatial peut prendre en charge, s’il peut être détecté, sera très faible. Mais en combinant des centaines ou des milliers de ces petites embarcations dans un système unifié, le retour des données et la capacité d’explorer le système cible seront considérablement améliorés.

Leur plan consiste à lancer séquentiellement des centaines de sondes pendant un an maximum en utilisant des techniques dynamiques de temps et de vitesse sur la cible pour créer un essaim se comptant par milliers. Le contact sera maintenu avec l’essaim via le laser de lancement de 100 GW, qui servira également à synchroniser les horloges internes des sondes. La formation en vol serait maintenue en modulant grossièrement la vitesse de lancement initiale entre la tête et la queue du train, combinée à des ajustements d’attitude continus (exploitant la traînée de l’ISM) des sondes sélectionnées.

L’équipe a également développé une source d’énergie simple et rentable pour leurs sondes, une application isotopique bêtavoltaïque. Selon eux, cela pourrait fournir à chaque sonde suffisamment d’électricité pour alimenter les communications optiques à distance interstellaire pendant des décennies. Au cours de la phase de croisière de 20 ans, l’essaim fusionnerait dynamiquement à partir de sa longue formation de cordes pour former un réseau en forme de lentille mesurant environ 100 000 km (~ 62 000 mi) de diamètre, qui serait centré sur la destination (Proxima Centaure b) au moment du survol. Comme l’a expliqué l’équipe :

«Cela permettrait un retour de données assez élevé de Proxima et Alpha Centauri, ainsi qu’une exploration plus détaillée des planètes de ce système. En fonction des détails de l’ingénierie, de l’emplacement et de la puissance du ou des lasers d’entraînement, etc., il devrait être possible d’envoyer des essaims de sondes vers cinq à dix des systèmes stellaires les plus proches en même temps que nous explorons les Centaures. système, pouvant s’étendre jusqu’à Sirius, l’étoile la plus brillante du ciel nocturne, et dans environ 50 ans avec la technologie révolutionnaire prévue.

Au-delà de la capacité à maintenir le contact avec les sondes, le concept d’essaim présente également des solutions au problème des grains de poussière interstellaire. Avec plus d’un millier de petites sondes, l’essaim pourrait tolérer une attrition importante tout en étant capable de fournir des retours de données significatifs à son arrivée. Le concept d’essaim signifie également que les observations d’exoplanètes proches peuvent être visualisées sous plusieurs points de vue. La combinaison d’un millier d’observateurs permettrait également d’obtenir des données d’un ordre de grandeur supérieur à ce qui est possible avec une seule sonde.

Cette même technologie pourrait être utilisée pour explorer le système solaire, ce qui fait écho à ce que de nombreux chercheurs ont souligné à propos de l’énergie dirigée, des voiles lumineuses, des voiles magnétiques et d’autres concepts de propulsion avancés. Comme l’a expliqué l’équipe, elle envisage un jour où les systèmes de lancement laser seront considérés comme des « utilitaires » et non comme une technologie ponctuelle :

« La possibilité d’utiliser des engins spatiaux lancés par laser pour l’exploration du système solaire est tout aussi intéressante. Techniquement, une échelle de gramme serait appelée « femtospacecraft » ou même « attospacecraft ». Mais vous pouvez pousser n’importe quoi avec une lumière concentrée – un tout petit vaisseau spatial à des vitesses relativistes, ou quelque chose de la taille de New Horizons à des dizaines de kilomètres par seconde – avec un laser de lancement grandeur nature.

«Même avec un système de lancement laser beaucoup plus petit et donc moins cher, en utilisant des picovaisseaux spatiaux, nous pourrions atteindre et explorer n’importe quel objet de notre choix dans l’ensemble du système solaire avec des durées de mission allant de quelques mois à environ un an, et non des décennies comme c’est le cas actuellement. Pousser de minuscules engins spatiaux avec de la lumière serait une technique si utile qu’un système de lancement laser, quelle que soit sa taille, pourrait être utilisé 100 % du temps jusqu’à son usure, ce qui réduirait considérablement la part des dépenses en capital que chaque mission individuelle doit assumer. supporter.”

Lectures complémentaires : Porte de la recherche