Nous connaissons tous l'idée des voiles solaires pour explorer le système solaire, en utilisant la légère pression du soleil. Mais il existe un autre système de propulsion qui pourrait exploiter la puissance du soleil, des voiles électriques, et c'est une idée assez excitante.
Il y a quelques semaines, j'ai abordé une question que quelqu'un avait sur mes systèmes de propulsion exotiques préférés, et j'ai proposé quelques idées que je trouve passionnantes: voiles solaires, fusées nucléaires, moteurs ioniques, etc. Mais il y a un autre système de propulsion qui revient sans cesse , et j'ai totalement oublié de le mentionner, mais c'est l'une des meilleures idées que j'ai entendues depuis un moment: les voiles électriques.
Comme vous le savez probablement, une voile solaire fonctionne en exploitant les photons de lumière provenant du Soleil. Bien que les photons soient sans masse, ils ont un élan et peuvent le transférer lorsqu'ils rebondissent sur une surface réfléchissante.
En plus de la lumière, le Soleil souffle également sur un flux constant de particules chargées - le vent solaire. Une équipe d'ingénieurs de Finlande, dirigée par le Dr Pekka Janhunen, a proposé de construire une voile électrique qui utilisera ces particules pour transporter des vaisseaux spatiaux dans le système solaire.
Pour comprendre comment cela fonctionne, je vais devoir insérer quelques concepts dans votre cerveau.
Tout d'abord, le soleil. Cette boule de radiation mortelle dans le ciel. Comme vous le savez probablement, il y a un flux constant de particules chargées, principalement des électrons et des protons, s'éloignant du Soleil dans toutes les directions.
Les astronomes ne savent pas exactement comment, mais un mécanisme dans la couronne solaire, sa haute atmosphère, accélère ces particules à une vitesse de fuite. Leur vitesse varie de 250 à 750 km / s.
Le vent solaire s'éloigne du Soleil, et dans l'espace. Nous voyons ses effets sur les comètes, leur donnant leurs queues caractéristiques, et il forme une bulle autour du système solaire connu sous le nom d'héliosphère. C'est là que le vent solaire du Soleil rencontre les vents solaires collectifs des autres étoiles de la Voie lactée.
En fait, le vaisseau spatial Voyager de la NASA a récemment traversé cette région, se dirigeant enfin vers l'espace interstellaire.
Le vent solaire provoque une pression directe, comme un vent réel, mais il est incroyablement faible, une fraction de la pression lumineuse qu'une voile solaire subit.
Mais le vent solaire contient un flux de protons et d'électrons chargés positivement, et c'est la clé.
Une voile électrique fonctionne en déroulant un fil incroyablement mince, à seulement 25 microns d'épaisseur, mais 20 kilomètres de long. Le vaisseau spatial est équipé de panneaux solaires et d'un canon à électrons qui ne prend que quelques centaines de watts pour fonctionner.
En tirant des électrons dans l'espace, le vaisseau spatial maintient un état de charge très positif. Étant donné que les protons du Soleil sont également chargés positivement, lorsqu'ils rencontrent l'attache chargée positivement, ils le «voient» un énorme obstacle de 100 mètres de diamètre et s'y écrasent.
En conférant leur élan à la longe et à l'engin spatial, les ions l'accélèrent loin du Soleil.
La quantité d'accélération est très faible, mais c'est une pression constante du soleil et peut s'accumuler sur une longue période de temps. Par exemple, si un vaisseau spatial de 1000 kg avait 100 de ces fils s'étendant dans toutes les directions, il pourrait recevoir une accélération de 1 mm par seconde par seconde.
Dans la première seconde, il parcourt 1 mm, puis 2 mm dans la seconde suivante, etc. Au cours d'une année, ce vaisseau spatial pourrait rouler à 30 km / s. À titre de comparaison, le vaisseau spatial le plus rapide du monde, le Voyager 1 de la NASA, roule à environ 17 km / s. Donc, beaucoup plus rapidement, certainement sur une vitesse d'échappement du système solaire.
L'un des inconvénients de la méthode, en fait, est qu'elle ne fonctionnera pas dans la magnétosphère terrestre. Ainsi, un vaisseau spatial électrique propulsé par une voile devrait être transporté par une fusée traditionnelle loin de la Terre avant de pouvoir déployer sa voile et se diriger vers l'espace lointain.
Je suis sûr que vous vous demandez s'il s'agit d'un aller simple pour s'éloigner du soleil, mais ce n'est pas le cas. Tout comme avec les voiles solaires, une voile électrique peut pivoter. Selon le côté de la voile que le vent solaire frappe, il soulève ou abaisse l'orbite du vaisseau spatial par rapport au Soleil.
Frappez la voile d'un côté et vous soulevez son orbite pour voyager vers le système solaire extérieur. Mais vous pouvez également frapper l'autre côté et abaisser son orbite, lui permettant de descendre dans le système solaire intérieur. C'est un système de propulsion incroyablement polyvalent, et le Soleil fait tout le travail.
Bien que cela ressemble à de la science-fiction, il y a en fait quelques tests en cours. Un prototype de satellite estonien a été lancé en 2013, mais son moteur n'a pas réussi à dérouler l'attache. Le satellite finlandais Aalto-1 a été lancé en juin 2017 et l'une de ses expériences consiste à tester une voile électrique.
Nous devrions savoir si la technique est viable plus tard cette année.
Ce ne sont pas seulement les Finlandais qui envisagent ce système de propulsion. En 2015, la NASA a annoncé qu'elle avait octroyé une subvention de Phase II Innovative Advanced Concepts au Dr Pekka Janhunen et à son équipe pour explorer comment cette technologie pourrait être utilisée pour atteindre le système solaire externe en moins de temps que d'autres méthodes.
Le système de transit rapide électrostatique héliopause, ou vaisseau spatial HERTS, étendrait 20 de ces attaches électriques vers l'extérieur depuis le centre, formant une énorme voile électrique circulaire pour capter le vent solaire. En tournant lentement le vaisseau spatial, les forces centrifuges étireront les attaches dans cette forme circulaire.
Avec sa charge positive, chaque attache agit comme une énorme barrière au vent solaire, donnant à l'engin spatial une surface effective de 600 kilomètres carrés une fois lancé depuis la Terre. À mesure qu'elle s'éloigne, de la Terre, cependant, sa surface effective augmente jusqu'à l'équivalent de 1 200 km2 au moment où elle atteint Jupiter.
Lorsqu'une voile solaire commence à perdre de la puissance, une voile électrique continue d'accélérer. En fait, il continuerait d'accélérer au-delà de l'orbite d'Uranus.
Si la technologie fonctionne, la mission HERTS pourrait atteindre l'héliopause en seulement 10 ans. Il a fallu 35 ans à Voyager 1 pour atteindre cette distance, à 121 unités astronomiques du Soleil.
Mais qu'en est-il de la direction? En modifiant la tension sur chaque fil pendant la rotation de l'engin spatial, vous pourriez faire en sorte que toute la voile interagisse différemment d'un côté ou de l'autre avec le vent solaire. Vous pourriez diriger l'ensemble du vaisseau spatial comme les voiles sur un bateau.
En septembre 2017, une équipe de chercheurs de l'Institut météorologique finlandais a annoncé une idée assez radicale sur la façon dont ils pourraient utiliser des voiles électriques pour explorer de manière approfondie la ceinture d'astéroïdes.
Au lieu d'un seul vaisseau spatial, ils ont proposé de construire une flotte de 50 satellites distincts de 5 kg. Chacun enroulerait sa propre longe de 20 km et attraperait le vent solaire du Soleil. Au cours d'une mission de 3 ans, le vaisseau spatial se rendrait jusqu'à la ceinture d'astéroïdes et visiterait plusieurs roches spatiales différentes. La flotte complète serait probablement en mesure d'explorer 300 objets distincts.
Chaque vaisseau spatial serait équipé d'un petit télescope avec seulement une ouverture de 40 mm. C'est à peu près la taille d'une lunette d'observation, ou une demi-paire de jumelles, mais cela suffirait pour résoudre les caractéristiques de la surface d'un astéroïde aussi petites que 100 mètres de diamètre. Ils auraient également un spectromètre infrarouge pour pouvoir déterminer de quels minéraux chaque astéroïde est fait.
C'est un excellent moyen de trouver cet astéroïde de 10 billions de dollars en platine solide.
Parce que le vaisseau spatial serait trop petit pour communiquer jusqu'à la Terre, ils auraient besoin de stocker les données à bord, puis de tout transmettre une fois qu'ils sont passés devant notre planète 3 ans plus tard.
Les scientifiques planétaires à qui j'ai parlé adorent l'idée de pouvoir étudier autant d'objets différents en même temps, et l'idée de la voile électrique est l'une des méthodes les plus efficaces pour le faire.
Selon les chercheurs, ils pourraient faire la mission pour environ 70 millions de dollars, ramenant le coût de l'analyse de chaque astéroïde à environ 240 000 dollars. Ce serait bon marché par rapport à toute autre méthode proposée pour étudier les astéroïdes.
L’exploration spatiale utilise des fusées chimiques traditionnelles car elles sont connues et fiables. Bien sûr, ils ont leurs défauts, mais ils nous ont emmenés à travers le système solaire, à des milliards de kilomètres de la Terre.
Mais il y a d'autres formes de propulsion dans les travaux, comme la voile électrique. Et au cours des prochaines décennies, nous allons voir de plus en plus de ces idées mises à l'épreuve. Un système de propulsion sans carburant qui peut transporter un vaisseau spatial dans les confins extérieurs du système solaire? Oui s'il vous plaît.
Je vous tiendrai au courant lorsque plus de voiles électriques seront testées.
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