Un vaisseau spatial pourrait voler vers des étoiles lointaines en utilisant des voiles avec des surfaces similaires à celles des CD et DVD pour les aider à rester centrées sur les faisceaux laser, selon une nouvelle étude.
Les fusées conventionnelles entraînées par des réactions chimiques sont actuellement la forme dominante de propulsion spatiale. Cependant, ils sont loin d'être suffisamment efficaces pour atteindre une autre étoile au cours d'une vie humaine. Par exemple, bien que Alpha Centauri est le système stellaire le plus proche de la Terre, il se trouve encore à environ 4,37 années-lumière, soit plus de 25,6 billions de milles (41,2 billions de kilomètres), soit plus de 276 000 fois la distance de la Terre au soleil. Il faudrait de la NASA Vaisseau spatial Voyager 1, qui a été lancé en 1977 et a atteint l'espace interstellaire en 2012, environ 75 000 ans pour atteindre Alpha Centauri si la sonde se dirigeait dans la bonne direction (ce qui n'est pas le cas).
Le problème avec tous les propulseurs que les engins spatiaux actuels utilisent pour la propulsion est que le propulseur qu'ils transportent avec eux a une masse. Les longs trajets nécessitent beaucoup de propulseur, ce qui rend les engins spatiaux lourds, qui, à leur tour, nécessitent plus de propulseur, ce qui les rend plus lourds, etc. Ce problème s'aggrave exponentiellement plus un vaisseau spatial devient gros.
Des recherches antérieures ont suggéré que la «navigation légère» pourrait être l'un des seuls moyens techniquement réalisables pour amener une sonde vers une autre étoile au cours d'une vie humaine. Bien que la lumière n'exerce pas beaucoup de pression, les scientifiques suggèrent depuis longtemps que le peu qu'elle applique pourrait avoir un effet majeur. En effet, de nombreuses expériences ont montré que les "voiles solaires" peuvent compter sur la lumière solaire pour la propulsion, étant donné un miroir suffisamment grand et un vaisseau spatial suffisamment léger.
L'initiative Breakthrough Starshot de 100 millions de dollars, qui a été annoncé en 2016, prévoit de lancer des essaims de vaisseaux spatiaux de taille micropuce à Alpha Centauri, chacun d'eux arborant des voiles extraordinairement minces et incroyablement réfléchissantes propulsées par les lasers les plus puissants jamais construits. Le plan les fait voler jusqu'à 20% de la vitesse de la lumière, atteignant Alpha Centauri en environ 20 ans.
L’utilisation des voiles laser est préoccupante si elles dérivent de leur alignement avec les faisceaux laser propulseurs - qui seront basés ici sur Terre, au moins initialement, Plan révolutionnaire de Starshot - ils peuvent dévier énormément de leur objectif. Aujourd'hui, les scientifiques ont conçu et testé une nouvelle voile qui, en principe, pourrait se maintenir automatiquement centrée sur un faisceau laser pendant les quelques minutes nécessaires, permettant à un vaisseau spatial de garder le cap pour des voyages interplanétaires ou même interstellaires.
La nouvelle voile repose sur des structures appelées réseaux de diffraction, dont les versions les plus connues sont visibles sur CD et DVD. UNE réseau de diffraction est une surface recouverte d'une série de crêtes ou de fentes microscopiques régulièrement espacées qui peuvent diffuser ou diffracter la lumière, faisant voyager différentes longueurs d'onde ou couleurs de lumière dans différentes directions.
Un enregistrement sur un CD ou un DVD est codé sous forme de trous microscopiques de différentes longueurs qui sont placés dans des rangées de même largeur et de distances égales, et des faisceaux laser peuvent balayer ces disques pour lire leurs données. Ces rangées forment une grille de diffraction sur les surfaces miroirs des CD et DVD qui peut diviser la lumière blanche en plusieurs couleurs qui la composent, résultant en des motifs arc-en-ciel que l'on peut voir sur ces disques.
"Si vous avez déjà examiné le magnifique jeu de lumière d'un disque compact, vous aurez vu les effets de la diffraction", a déclaré à Space.com l'auteur principal Grover Swartzlander, physicien optique au Rochester Institute of Technology à New York. .
Les chercheurs ont construit une voile composée de deux réseaux diffractifs placés côte à côte. Chaque réseau était fait de cristaux liquides alignés qui étaient contenus dans une feuille de plastique. Des cristaux liquides similaires sont souvent utilisés dans les affichages électroniques des écrans vidéo et des montres numériques.
Les conceptions précédentes de voile légère agissent comme des miroirs qui réfléchissent les faisceaux de lumière vers leurs sources. Dans la nouvelle conception, les cristaux liquides dans chaque réseau de diffraction dévient les rayons lumineux à un angle, générant des forces qui envoient la voile à la fois vers l'arrière et latéralement.
Le réseau sur le côté gauche de la nouvelle voile dévie la lumière vers la droite du faisceau laser, tandis que le réseau sur le côté droit dévie la lumière vers la gauche. Si la voile dérive de sorte que le faisceau laser tombe de chaque côté de la voile, cela repousse la voile en position avec la lumière tombant au centre de la voile.
Lors des tests de leur voile expérimentale, les scientifiques ont dû détecter les forces microscopiques générées par la voile en réponse à un laser tout en distinguant ces forces des perturbations telles que les vibrations des bâtiments ou les courants d'air.
"Nous étions frustrés de constater que nos mesures n'étaient pas fiables si le sol s'affaissait sous le poids d'une petite personne", a déclaré Swartzlander. "Finalement, nous avons trouvé des emplacements et des méthodes adéquats pour éviter les perturbations."
Les chercheurs ont réussi à détecter la voile générant des forces de recentrage qui l'ont repoussée en alignement avec un faisceau laser.
"Il était très satisfaisant de constater que les résultats expérimentaux concordaient avec nos prédictions théoriques", a déclaré Swartzlander. "Cet accord suggère que nous pouvons concevoir en toute confiance des structures de diffraction plus complexes pour des voiles légères entraînées par la lumière du soleil ou un faisceau laser."
Les chercheurs expérimentent maintenant des voiles capables de se centrer si elles dérivent dans n'importe quelle direction, pas seulement à gauche ou à droite. "Il est intéressant de noter que ceux-ci peuvent avoir des propriétés optiques très similaires à la nature diffractive des disques compacts", a déclaré Swartzlander.
À l'avenir, les chercheurs ont suggéré que leurs voiles pourraient être testées sur la Station spatiale internationale ou sur un petit satellite autour de la Terre. Ils ont détaillé leurs découvertes en ligne le 13 décembre dans la revue Physical Review Letters.
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