Le projet "NS Hope"
Le troisième problème, la propulsion;
Après une approche du premier problème concernant le voyage entre deux étoiles et qui est l’immensité géographique en trois dimensions, voire quatre si l’on inclut le temps, le second problème étant le comportement Humain, voici la troisième difficulté auxquels se heurteront physiciens, techniciens et ingénieurs du monde entier ; la propulsion.
De cette propulsion dépendra la réalisation de ce type de voyage qui sera de toute manière très long et qui, de ce fait, nécessitera des niveaux de technologies équivalents en toutes sciences humaines.
Rappel des caractéristiques d’un voyage interstellaire ;
La masse d’un vaisseau interstellaire est considérable, des centaines de milliers de tonnes, ainsi il est impossible de le lancer depuis le sol terrestre. Il sera donc assemblé dans l’espace ou sur une petite planète de peu de gravité. À l’arrivée ce vaisseau restera dans l’espace et des navettes descendront sur le sol de la planète hôte. Le moteur à créer fonctionnera uniquement dans l’espace, à l’exception des navettes, sauf si l’on ne prévoit pas de retour de celle-ci.
On a vu que cet immense espace est vide entre deux étoiles et que ce vide est extrême sans toutefois être le néant. Pour se propulser dans ce vide on ne peut pas faire comme sur terre en aspirant l’air et en le rejetant à des vitesses les plus élevées possible ; aspirer du vide ne sert à rien. L’air est un composé de milliards d’atomes au millimètre cube, il a ainsi un poids et ce poids projeté seulement à quelques centaines de kilomètres heures ferait tomber, par exemple, la tour de Pise aussi facilement qu’on déplace une feuille de papier. L’espace interstellaire lui, n’a pas de poids et le projeter par milliers de kilomètres cubes et à des vitesses bien plus importantes sur cette même tour, ne la fera pas broncher d’un nanomètre !
Les fusées n’utilisent pas l’air, raréfié en altitude et absent dans l’espace, mais un carburant embarqué qui est traité de manière à être violemment expulsé au sortir des moteurs et crée ainsi une poussée. Ce carburant a une masse et est consumé très rapidement en quittant la fusée qui perd ainsi de son poids continuellement (dix tonnes par secondes) et rend l’engin de plus en plus léger et fait que la fusée accélère de plus en plus. La vitesse d’éjections du gaz au sortir des tuyères, d’environ 5 km/s, suffit ainsi à propulser une masse importante qui va pouvoir éjecter ses satellites dans l’espace.
La sonde Voyager 1, de 850 kg, propulsée dans l’espace par un puissant engin, expulsée de l’orbite terrestre (à plus de 11,2 km/s), accélérée par les jeux gravitationnels et un peu par ses petits propulseurs file présentement à une vitesse de 17 km/s dans l’espace. Orienté vers Proxima du centaure il lui faudrait environ 80000 ans pour arriver à destination.
Dans l’espace profond on va d’un vide a un autre et extrêmement loin. Pour aller très loin il faut largement dépasser les 5,3 km/s d’éjection des gaz, ainsi sont bridés les propulseurs actuels qui ne pourraient aller suffisamment vite, encombré qu’ils sont, d’énormes réservoirs. Note ; La vitesse d’éjection des gaz ou des particules n’est pas la vitesse d’un vaisseau spatial, cette vitesse de déplacement est inférieure.
Dans l’espace interplanétaire un objet qui se déplace va continuer sa course et ne perdra de la vitesse que fort lentement n’ayant pas d’obstacles - l’air devant lui - et pas d’attraction planétaire à vaincre, attraction qu’il devra néanmoins utiliser pour accélérer et décélérer dans l’espace planètaire. Cet avantage fait qu’un vaisseau spatial n’a pas besoin d’être aérodynamique et peut avec n’importe quelle forme continuer à avancer surtout s’il a des moteurs et cela même à très faible poussée. Un peu d’air comprimé permet à un engin spatial stationnaire, de s’orienter pour s’arrimer à un autre par exemple.
On l’a vu ; l’espace est si grand que l’imagination humaine a du mal à le concevoir dans son immensité. Il faut donc aller très vite dans cet espace interstellaire pour espérer arriver en vue d’un autre système planétaire même proche en limitant ainsi au maximum la durée de voyage.
Il est pensable d’utiliser au départ de classiques propulseurs indépendants qui seront récupérés sur Terre et qui imprimeront plus de vélocité à l’engin spatial.
Pour aller très vite il est nécessaire d’expulser très rapidement de la matière au sortir des tuyères d’un moteur, beaucoup de matière.
La vitesse atteinte avant d’entrer dans l’espace profond, sera la vitesse maximale que le vaisseau pourra atteindre aidé des effets gravitationnels qui sont inexistants dans l’espace interstellaire.
Par économie il sera probablement programmé des périodes d’arrêt du moteur, notamment en milieu de voyage, mais il faudra aussi freiner le vaisseau assez efficacement et probablement avec ses moteurs pour ne pas trop allonger une durée de navigation déjà fort longue, toutefois une assistance gravitationnelle « inversée » sera aussi programmée et agira aussi pour freiner le vaisseau. Arrêt des propulseurs veut dire aussi absence de pesanteur avec les conséquences que cela aura sur les passagers et autres organismes, des risques de pannes et une nécessaire remise en marche sans failles.
On a donc un carburant embarqué que l’on expulse derrière soi à grande vitesse et haute densité. Aller très loin implique des réserves de carburant qui peuvent être très importantes, surtout avec les technologies actuelles qui permettent d’envisager un voyage humain vers Mars qu’à condition d’utiliser aussi l’assistance gravitationnelle et de partir au moment où les deux planètes seront au plus près, mais pas de s’aventurer au de-là de notre Système solaire.
La propulsion nucléaire demande un transfert de matière nucléaire de la Terre au vaisseau en orbite, c’est dangereux, mais cela a déjà été fait en petites quantités. Le ou les réacteurs ne seront mis en marche qu’en orbite, une orbite la plus élevée possible et probablement juste avant de quitter l’attraction terrestre, le vaisseau étant maintenu pour livraisons et construction a l’orbite la plus basse. Petite note ; vers le milieu du siècle passé on ne s’offusquait guère de faire des essais nucléaires a l’air libre !
Projets historiques ;
La propulsion nucléaire faite de suites d’explosions de petites charges extérieures au vaisseau à l’inconvénient d’exiger des amortisseurs et un très solide vaisseau, le plus gros vaisseau du projet Orion avec des centaines de milliers de petites explosions par fission nucléaire aurait permis d’atteindre Proxima en 130 ans, après consommation de quelques 300000 bombes d’une mégatonne, sans équipage bien sûr !
Le projet Daedalus (dés années 70) à propulsion par fusion nucléaire deutérium/hélium 3, aurait permis d’atteindre l’étoile de Barnard en 50 ans. Il s’agissait d’un véritable moteur fixé dans un vaisseau complet avec robots d’entretien, instruments de mesure et sondes; le premier projet sérieux d’un vaisseau spatial. Les 50000 tonnes d’hélium 3 auraient été récoltées avant sur Jupiter. Daedalus aurait après 4 ans atteint sa vitesse de croisière de l’ordre d’un dixième de la vitesse de la lumière en consommant 40 térawatts d’énergie. La fusée Saturne consommait en un seul voyage de quelque minutes 0,1 térawatts.
Des propergols on passe aux gaz atomiques lourds ce qui ouvre le voyage vers Mars, le Système solaire et peut-être un autre système stellaire proche ! Il serait toutefois possible de créer ces propergols sur Mars.
On peut imaginer un combiné de plusieurs types d’énergies avec par exemple, un réacteur nucléaire puissant qui va produire de l’énergie pour faire fonctionner des moteurs électriques (ou si l’on veut à plasma ou encore à propulsion ionique), qui équipent en étant miniaturisés, déjà sondes et satellites. Ce type de moteur extrêmement pratique peut fonctionner longtemps, s’arrêter et démarrer à la demande, son fonctionnement continu évite de dangereuses vibrations qui ne permettraient pas un temps de fonctionnement de plusieurs années. La densité d’énergie en théorie illimitée, produite par ce type de moteur permettra l’éjection de particules à forte densité à la vitesse de la lumière.
On peut aussi imaginer un réacteur a antimatière qui va catalyser des réactions de fusion, une fusion initiée par fission. Cette antimatière traiterait l’uranium par fission et déclencherait la fusion de celui-ci. Les quantités d’uranium et d’antimatière seraient moindre, qu’avec seulement l’une ou l’autre des énergies actives.
On expulse ainsi de la matière, non plus avec l’énergie propre au carburant, mais avec une énergie distincte de ce carburant. On a présentement une matière compressée à son niveau critique et qui est chassée des tuyères à très grande vitesse, par une énergie expulsive.
La propulsion nucléaire thermique consiste à chauffer de l’hydrogène qui ainsi traité sera expulsé par tuyères.
La fusion thermonucléaire contrôlée c’est le projet ITER, elle permettrait une émission de matière continue à grande vitesse en produisant de l’énergie par assemblage d’atomes légers avec un rapport de masse plus significatif que la fission.. Le projet sera opérationnel dans la seconde partie de ce siècle.
Autres technologies ;
D’autres technologies ont été imaginées, comme la voile solaire, mais entre deux étoiles l’éclat, la pression stellaire, est si faible que cette technique ne saurait être utilisée que dans le Système solaire et pas trop loin du soleil.
La combinaison d’avec un moteur offrant une poussée rapide offrira un compromis intéressant à un cargo. Toute idée est améliorable, ainsi la voile à fission de l’uranium par un bombardement d’antiprotons embarque son propre carburant.
On peut pousser une voile solaire avec un faisceau laser, mais l’énergie nécessaire pour alimenter le laser serait colossale, de l’ordre de dizaines de térawatts. 13,5 TW est la puissance moyenne totale consommée par l'ensemble des activités humaines en 2001. (Wikipédia ; Ordres de grandeur de puissance). Focaliser le faisceau demanderait une lentille d’un grand diamètre et une voile d’un millier de kilomètres. Une sonde de quelques grammes permettrait d’atteindre une étoile proche en une vingtaine d’années, mais il faut toutefois installer le laser et une centrale nucléaire hors de la Terre. La voile solaire modifiée permettra une décélération et aussi un déplacement inversé qui permettrai un retour. Une sonde se doit d’être équipée d’un minimum de matériels de mesure et de l’énergie pour les faire fonctionner.
Récolter des particules dans l’espace, (une particule au cm3), pour en faire un carburant est peut-être possible dans des zones denses, comme la proximité d’une étoile ou l’atmosphère d’une planète, mais dans l’espace intersidéral extrêmement vide, cela semble difficilement réalisable même avec d’immenses collecteurs magnétiques, toutefois le vide spatial permet ce type d’architecture, mais s’il semble extrêmement vide, il est dans les systèmes planétaires parcourus d’infimes particules qui pourraient aussi endommager l’ensemble.
Récolter le milieu interstellaire par un immense champ magnétique demande des aimants extrêmement puissants. A grande vitesse il faut ralentir les particules pour les amener au moteur ce qui demande ionisation par un faisceau laser. A grande vitesse l’impact des particules sur le champ magnétique ralentirai le vaisseau. Ce type de vaisseau permettrait des vitesses extraordinaires s’il était possible d’éjecter les particules plus rapidement qu’elles n’arrivent sans les ralentir dans le processus.
Récupérer l’énergie du vide quantique consommerait plus d’énergie qu’elle n’en produirait, d’autant qu’elle est très faible.
Il n’y a guère que la technologie utilisant la propulsion nucléaire par fusion et l’antimatière à pouvoir lancer l’humanité vers un autre système planétaire,
Antimatière ; produire le carburant spécifique à ce type de moteur et qui n’existe pas dans la nature, demandera plus d’un siècle de production pour obtenir seulement quelques kilos, énormément d’énergie et nécessiterait une conservation efficace. Un microgramme d’antimatière permettrai d’envoyer une charge de moins de 100 tonnes vers Jupiter, Une tonne est nécessaire pour atteindre un autre système stellaire. La vitesse d’éjection pourrait atteindre les 300000 Km/s et permettra par le jeu d’assistance gravitationnelle d’aller plus vite avant d’atteindre l’espace profond et une vitesse de croisière.
Ci-dessus un des quatre moteurs H6 du Hope lors d'essais a J - 30. Image Didier Groux.
Le seul exemple ou la masse est totalement convertie en énergie est la réaction matière-antimatière.
Wikipedia ; « Par comparaison, une réaction nucléaire classique ne dégage qu'une très petite partie de l'énergie "de masse" contenue dans les combustibles nucléaires utilisés (~1 millième), cette dernière dégageant pourtant bien plus d'énergie encore qu'une combustion (~1 million de fois plus). »
On a pensé à différents types de ces moteurs ; détruire de petites bombes H avec des antiprotons, fusion déclenchée par antiprotons, plasma chauffé par antiprotons et annihilation directe matière, antimatière, le plus efficace. Quel que soit la technologie utilisée on peut imaginer la sortie de la tuyère de ce type de moteurs par de continuelles explosions atomiques fusionnées qui projetteront un énorme flot de particules presque à la vitesse de la lumière.
Avec ce type de moteur on est au bout de ce que l’imagination humaine peut concevoir, mais qui a toutefois d’énormes capacités comme d’envisager la vitesse supra luminique ou une propulsion sans carburants.
Autrefois on pouvait envisager de voler par exemple, et le coût nécessaire à l’invention de l’avion a été supporté assez aisément, mais ici les coûts et moyens seront exorbitants et demanderont les efforts des pays du monde entier, des efforts significatifs qui auront un impact dans la vie des gens.
La technologie du ou des moteurs ne supportera pas un à-peu-près comme elle l’a fait pour l’aviation par exemple, idem du vaisseau ou devra être entretenue des milliards d’organismes pendant des dizaines d’années voire des siècles.
Par rapport à ce projet, nous sommes à l’aube de la technologie et à l’aube d’une civilisation capable de réussir un voyage interstellaire.
Quelques détails ;
Les particules d'antimatière ne peuvent pas être stockées comme dans des réservoirs classiques, mais maintenues au centre de ceux-ci sans contacts avec quelque matière qu’elle soit, comme on essaie de faire dans le maintien de plasma d'un Tokamak comme ITER. Ce confinement stabilisé devra se maintenir durant le voyage sans aucun arrêt et sans pannes importantes. En restant optimiste j’ai imaginé ici un voyage de 29 ans ; pour résister au temps passé dans un univers hostile, il faudra prendre d’infinies précautions de conceptions.
L’ordre de grandeur de la consommation de carburant se cadre au nanogramme, mais même à ce niveau, plusieurs décennies de fonctionnement obligent le conditionnement de centaines de kilos d’antimatière pour aller vers les étoiles.
La chaleur produite par un tel moteur nécessitera des matériaux spéciaux et une technologie éprouvée. Le chauffage du vaisseau est assuré ! Le refroidissement nécessitera de grands dissipateurs de chaleur. La masse des radiateurs sera importante. Près du soleil les flux calorifiques sont importants et agissent directement sur la surface exposée ainsi un objet peut avoir des surfaces avec des températures très différentes ; des systèmes mobiles devraient être envisagés.
La résistance des matériaux est un important problème pour des moteurs ayant d’importantes différences de températures, ce qui est valable aussi pour l’ensemble du vaisseau., toutefois cette résistance n’est pas de même type. Il est nécessaire d’avoir ou de fabriquer des pièces de rechange, ce qui implique stocks et machinerie d’atelier plutôt légère travaillant sur une technologie de conception d’ensemble identique. Pour en avoir une idée primaire on peut penser à des pas de vis identiques.
Ce type de moteur produit des rayons gamma néfastes a toute vie et demandera des systèmes de blindage efficaces. Pour des humains il n’est évidemment pas question d’aller réparer sur place ce genre de moteur. Les systèmes robotisés ne seront pas ce qu’on imagine, mais plutôt des systèmes totalement intégrés au moteur.
La technologie d’ensemble devra être adaptable aux technologies futures qui seront parallèlement développées.
Une nouvelle conception apparaît ; l’évolution continuelle des techniques en essais. Comme pour le projet ITER le vaisseau interplanétaire devra éprouver de par cet environnement nouveau, des techniques d’essais qui seront modifiées si besoin. Les pièces d’un ensemble seront remplacées par des pièces plus performantes, adaptées et non simplement remplacée a l’identique. L’ensemble sera évolutif, comme l’ensemble du vaisseau.
Tout comme le vaisseau, ce ou ces moteurs seront assemblés dans l’espace. Assembler dans l’espace, dit poids à mettre en orbite et donc conception légère, voire minimaliste est nécessité. Je crois aussi que des parties du vaisseau pourront être démontées pour servir une fois arrivé ; technologie adaptative à prévoir, je pense aux matériaux qui se plient selon le besoin, toutefois le cas des moteurs soumis à un intense rayonnement est différent et dans cette fiction j’ai préféré en utiliser deux pour explorer le nouveau système planétaire.
Coûts ;
Un nanogramme d’antimatière coute 50 millions de dollars, atteindre les étoiles nécessite plusieurs centaines de kilos, voire une tonne.
Le coût de ce type de moteur qui s’ajoute au cout énergétique, sera élevé et demandera les efforts de pays, d’entreprises et sponsors divers qui ne pourront bénéficier de leurs œuvres que durant le temps de la construction car ensuite les choses sont très incertaines, d’autant que le vaisseau ne reviendra pas, usés par des années de présence dans l’espace et par manque de carburant, de plus, du fait de ce temps relatif, la technologie embarquée sera devenue bien obsolète sur Terre et le risque de catastrophe est élevé.
Si l’on ne parvient pas à propulser un vaisseau assez rapidement qui pourra ainsi atteindre en quelques dizaines d’années une proche étoile, la solution du vaisseau générationnel pourra être envisagée. Le voyage durera plusieurs siècles, mais le type de moteur embarqué existe déjà dans sa forme première ; le moteur électrique alimenté nucléaire dont on peut estimer le coût futur avec les améliorations qu’il peut soutenir.
Didier Groux 2019.
