Voyage interstellaire

concepts de fusée

tous les concepts de fusée sont limités par l’équation de fusée, qui définit la vitesse Caractéristique disponible en fonction de la vitesse d’échappement et du rapport de masse, le rapport entre la masse initiale (M0, y compris le carburant) et la masse finale (M1,

une puissance spécifique très élevée, le rapport entre la poussée et la masse totale du véhicule, est nécessaire pour atteindre des cibles interstellaires dans des délais inférieurs au siècle. Un certain transfert de chaleur est inévitable et une charge de chauffage énorme doit être gérée de manière adéquate.,

ainsi, pour les concepts de fusées interstellaires de toutes les technologies, un problème technique clé (rarement discuté explicitement) est de limiter le transfert de chaleur du flux d’échappement vers le véhicule.

moteur Ionmodifier

un type de propulsion électrique, les engins spatiaux tels que Dawn utilisent un moteur ionique. Dans un moteur ionique, l’énergie électrique est utilisée pour créer des particules chargées du propulseur, généralement le xénon gazeux, et les accélérer à des vitesses extrêmement élevées., La vitesse d’échappement des fusées conventionnelles est limitée par l’énergie chimique stockée dans les liaisons moléculaires du carburant, ce qui limite la poussée à environ 5 km/S. elles produisent une poussée élevée (environ 10 N N), mais elles ont une faible impulsion spécifique, ce qui limite leur vitesse de pointe. En revanche, les moteurs ioniques ont une faible force, mais la vitesse maximale n’est en principe limitée que par la puissance électrique disponible sur le vaisseau spatial et sur les ions gaz accélérés. La vitesse d’échappement des particules chargées varie de 15 km/s à 35 km/s.,

puissance de fission Nucléairedit

fission-électriquedit

Les moteurs nucléaires-électriques ou plasma, fonctionnant pendant de longues périodes à faible poussée et alimentés par des réacteurs à fission, ont le potentiel d’atteindre des vitesses beaucoup plus élevées que les véhicules à propulsion chimique ou les fusées nucléaires-thermiques. De tels véhicules ont probablement le potentiel d’alimenter l’exploration du système solaire avec des temps de trajet raisonnables au cours du siècle actuel. En raison de leur propulsion à faible poussée, ils seraient limités à des opérations hors de la planète, dans l’espace profond., La propulsion d’un engin spatial à propulsion électrique alimenté par une source d’énergie portable, disons un réacteur nucléaire, ne produisant que de petites accélérations, mettrait des siècles à atteindre par exemple 15% de la vitesse de la lumière, donc impropre au vol interstellaire au cours d’une seule vie humaine.

fission-fragmentEdit

Les fusées à fragments de Fission utilisent la fission nucléaire pour créer des jets à grande vitesse de fragments de fission, qui sont éjectés à des vitesses allant jusqu’à 12 000 km/s (7 500 mi/s). Avec la fission, la production d’énergie est d’environ 0.,1% de la masse totale-énergie du combustible du réacteur et limite la vitesse effective d’échappement à environ 5% de la vitesse de la lumière. Pour une vitesse maximale, la masse de réaction doit être constituée de manière optimale de produits de fission, les « cendres » de la source d’énergie primaire, de sorte qu’aucune masse de réaction supplémentaire n’a besoin d’être bookkept dans le rapport massique.

pulseEdit nucléaire

sur la base des travaux de la fin des années 1950 au début des années 1960, il a été techniquement possible de construire des vaisseaux spatiaux avec des moteurs à propulsion par impulsions nucléaires, c’est-à-dire entraînés par une série d’explosions nucléaires. Ce système de propulsion contient la perspective d’une impulsion spécifique très élevée (l’équivalent du Voyage spatial de l’économie de carburant) et d’une puissance spécifique élevée.

Freeman Dyson, membre de L’équipe du projet Orion, a proposé en 1968 un vaisseau spatial interstellaire utilisant une propulsion par impulsions nucléaires utilisant des détonations de fusion de deutérium pur avec une fraction de combustion de carburant très élevée., Il a calculé une vitesse d’échappement de 15 000 km/s et un véhicule spatial de 100 000 tonnes capable d’atteindre un delta-v de 20 000 km / S permettant un temps de vol vers Alpha Centauri de 130 ans. Des études ultérieures indiquent que la vitesse de croisière maximale qui peut théoriquement être atteinte par un vaisseau Orion alimenté par une unité thermonucléaire Teller-Ulam, en supposant qu’aucun carburant n’est économisé pour ralentir, est d’environ 8% à 10% de la vitesse de la lumière (0,08-0,1 c). Un Orion atomique (fission) peut atteindre peut-être 3% -5% de la vitesse de la lumière., Un vaisseau à impulsion nucléaire propulsé par des unités de propulsion à impulsion nucléaire catalysées par fusion-antimatière serait de même dans la plage de 10% et les fusées d’annihilation de la matière pure-antimatière seraient théoriquement capables d’obtenir une vitesse comprise entre 50% et 80% de la vitesse de la lumière. Dans chaque cas, économiser du carburant pour ralentir la moitié de la vitesse maximale. Le concept d’utiliser une voile magnétique pour décélérer le vaisseau spatial à l’approche de sa destination a été discuté comme une alternative à l’utilisation de propergol, ce qui permettrait au navire de se déplacer près de la vitesse théorique maximale., Les conceptions alternatives utilisant des principes similaires incluent le projet Longshot, le projet Daedalus et le mini-Mag Orion. Le principe de la propulsion par impulsions nucléaires externes pour maximiser la puissance de survie est resté courant parmi les concepts sérieux pour le vol interstellaire sans rayonnement externe et pour le vol interplanétaire à très haute performance.,

dans les années 1970, le concept de Propulsion par impulsions nucléaires a été perfectionné par le projet Daedalus en utilisant la fusion par confinement inertiel déclenchée à l’extérieur, produisant dans ce cas des explosions de fusion via la compression de pastilles de combustible de fusion avec des faisceaux d’électrons de forte puissance. Depuis lors, des lasers, des faisceaux d’ions, des faisceaux de particules neutres et des projectiles hyper-cinétiques ont été suggérés pour produire des impulsions nucléaires à des fins de propulsion.,

un obstacle actuel au développement de tout engin spatial à explosion nucléaire est le Traité D’interdiction partielle des essais de 1963, qui interdit la détonation de tout engin nucléaire (même non armé) dans l’espace. Ce traité devra donc être renégocié, bien qu’un projet à l’échelle d’une mission interstellaire utilisant une technologie actuellement prévisible nécessiterait probablement une coopération internationale à l’échelle au moins de la Station Spatiale Internationale.,

Une autre question à considérer, serait les forces G conférées à un vaisseau spatial à accélération rapide, à la cargaison et aux passagers à l’intérieur (voir négation de L’inertie).

fusées de fusion Nucléairedit

Les fusées de Fusion, alimentées par des réactions de fusion nucléaire, devraient pouvoir atteindre des vitesses de l’ordre de 10% de celle de la lumière, sur la seule base de considérations énergétiques. En théorie, un grand nombre d’étapes pourraient pousser un véhicule arbitrairement proche de la vitesse de la lumière. Ceux-ci « brûleraient » des combustibles d’éléments légers tels que le deutérium, le tritium, le 3HE, le 11b et le 7Li. parce que la fusion donne environ 0.,3-0, 9% de la masse du combustible nucléaire en tant qu’énergie libérée, il est énergétiquement plus favorable que la fission, qui libère <0,1% de l’énergie massique du combustible. Les vitesses maximales d’échappement potentiellement énergétiquement disponibles sont en conséquence plus élevées que pour la fission, généralement 4-10% de C. Cependant, les réactions de fusion les plus facilement réalisables libèrent une grande fraction de leur énergie sous forme de neutrons à haute énergie, qui sont une source importante de perte d’énergie. , Ainsi, bien que ces concepts semblent offrir les meilleures perspectives (à terme le plus proche) de voyage vers les étoiles les plus proches au cours d’une (longue) vie humaine, ils impliquent toujours des difficultés technologiques et d’ingénierie massives, qui peuvent s’avérer insolubles pendant des décennies ou des siècles.

Les premières études comprennent le projet Daedalus, réalisé par la British Interplanetary Society en 1973-1978, et le projet Longshot, un projet étudiant parrainé par la NASA et L’US Naval Academy, achevé en 1988., Un autre système de véhicule assez détaillé, « Discovery II », conçu et optimisé pour l’exploration du système solaire avec équipage, basé sur la réaction D3He mais utilisant l’hydrogène comme masse réactionnelle, a été décrit par une équipe du Glenn Research Center de la NASA. Il atteint des vitesses caractéristiques de >300 km/S avec une accélération de ~1,7•10-3 g, avec une masse initiale de navire de ~1700 tonnes métriques et une fraction de charge utile supérieure à 10%., Bien que ceux-ci soient encore loin des exigences pour les voyages interstellaires à l’échelle du temps humain, l’étude semble représenter une référence raisonnable vers ce qui peut être accessible dans plusieurs décennies, ce qui n’est pas impossible au-delà de l’état de l’art actuel. Basé sur la fraction de combustion de 2,2% du concept, il pourrait atteindre une vitesse d’échappement du produit de fusion pure d’environ 3 000 km/s.

antimatièresmodifier

Une fusée antimatière aurait une densité d’énergie et une impulsion spécifique bien plus élevées que toute autre classe de fusée proposée. Si l’on trouve des ressources énergétiques et des méthodes de production efficaces pour fabriquer de l’antimatière dans les quantités requises et la stocker en toute sécurité, il serait théoriquement possible d’atteindre des vitesses de plusieurs dizaines de pour cent de celle de la lumière., La question de savoir si la propulsion de l’antimatière pourrait conduire à des vitesses plus élevées (>90% de celle de la lumière) auxquelles la dilatation temporelle relativiste deviendrait plus perceptible, faisant ainsi passer le temps à un rythme plus lent pour les voyageurs tel que perçu par un observateur extérieur, est douteuse en raison de la grande quantité d’antimatière qui serait nécessaire.

en supposant que la production et le stockage de l’antimatière devraient devenir réalisables, deux autres questions doivent être examinées., Tout d’abord, dans l’annihilation de l’antimatière, une grande partie de l’énergie est perdue sous forme de rayonnement gamma de haute énergie, et surtout aussi sous forme de neutrinos, de sorte que seulement environ 40% de mc2 serait réellement disponible si l’antimatière était simplement autorisée à s’annihiler en rayonnements thermiquement. Malgré cela, l’énergie disponible pour la propulsion serait sensiblement supérieure au rendement de ~1% de mc2 de la fusion nucléaire, le prochain meilleur candidat rival.

deuxièmement, le transfert de chaleur de l’échappement vers le véhicule semble susceptible de transférer une énorme énergie gaspillée dans le navire (par exemple, pour une accélération du navire de 0,1 g, approchant 0.,3 billions de watts par tonne de masse de navire), compte tenu de la grande fraction de l’énergie qui pénètre dans les rayons gamma pénétrants. Même en supposant qu’un blindage a été fourni pour protéger la charge utile (et les passagers d’un véhicule avec équipage), une partie de l’énergie chaufferait inévitablement le véhicule et pourrait ainsi s’avérer un facteur limitant si des accélérations utiles devaient être réalisées.,

plus récemment, Friedwardt Winterberg a proposé qu’une fusée à photons laser gamma GEV matière-antimatière soit possible par une décharge de pincement Proton-antiproton relativiste, où le recul du faisceau laser est transmis par l’Effet Mössbauer au vaisseau spatial.

fusées avec une source d’énergie externemodifier

Les fusées dérivant leur puissance de sources externes, telles qu’un laser, pourraient remplacer leur source d’énergie interne par un collecteur d’énergie, ce qui pourrait réduire considérablement la masse du navire et permettre des vitesses de déplacement beaucoup plus élevées. Geoffrey A., Landis a proposé une sonde interstellaire, avec de l’énergie fournie par un laser externe provenant d’une station de base alimentant un propulseur ionique.

non-rocket conceptsmodifier

un problème avec toutes les méthodes traditionnelles de propulsion des fusées est que l’engin spatial aurait besoin d’emporter son carburant avec lui, ce qui le rend très massif, conformément à l’équation de la fusée. Plusieurs concepts tentent d’échapper à ce problème:

RF resonant cavity thrusterEdit

un propulseur à cavité résonnante à radiofréquence (RF) est un dispositif qui est prétendu être un propulseur de vaisseau spatial., En 2016, Le Advanced Propulsion Physics Laboratory de la NASA a rapporté avoir observé une petite poussée apparente d’un tel test, un résultat qui n’a pas été reproduit depuis. L’un des modèles est appelé EMDrive. En décembre 2002, Satellite Propulsion Research Ltd a décrit un prototype fonctionnel avec une poussée totale présumée d’environ 0,02 newtons propulsé par un magnétron à cavité de 850 W. L’appareil ne pouvait fonctionner que quelques dizaines de secondes avant que le magnétron ne tombe en panne, en raison d’une surchauffe. Le dernier test sur L’EMDrive a conclu que cela ne fonctionnait pas.,

moteur Hélicoïdalemodifier

proposé en 2019 par le scientifique de la NASA Dr.David Burns, le concept de moteur hélicoïdal utiliserait un accélérateur de particules pour accélérer les particules à la vitesse de la lumière. Étant donné que les particules voyageant à de telles vitesses acquièrent plus de masse, on pense que ce changement de masse pourrait créer une accélération. Selon Burns, le vaisseau spatial pourrait théoriquement atteindre 99% de la vitesse de la lumière.

ramjets Interstellairesmodifier

en 1960, Robert W., Bussard a proposé le Bussard ramjet, une fusée à fusion dans laquelle une énorme pelle recueillerait l’hydrogène diffus dans l’espace interstellaire, le « brûlerait » à la volée en utilisant une réaction en chaîne proton–proton et l’expulserait de l’arrière. Des calculs ultérieurs avec des estimations plus précises suggèrent que la poussée générée serait inférieure à la traînée causée par toute conception de scoop imaginable. Pourtant, l’idée est attrayante car le carburant serait collecté en cours de route (à la mesure du concept de récupération d’énergie), de sorte que l’engin pourrait théoriquement accélérer à près de la vitesse de la lumière., La limitation est due au fait que la réaction ne peut accélérer le propulseur qu’à 0,12 C. Ainsi, la traînée de capture de la poussière interstellaire et la poussée d’accélération de cette même poussière à 0,12 c seraient les mêmes lorsque la vitesse est de 0,12 c, empêchant une accélération supplémentaire.

beamed propulsionEdit

Une voile légère ou une voile magnétique propulsée par un laser massif ou un accélérateur de particules dans le système stellaire domestique pourrait potentiellement atteindre des vitesses encore plus grandes que les méthodes de propulsion par fusée ou impulsion, car elle n’aurait pas besoin de transporter sa propre masse de réaction et n’aurait donc besoin Robert L. Forward a proposé un moyen de décélérer une voile de lumière interstellaire de 30 kilomètres dans le système stellaire de destination sans nécessiter la présence d’un réseau laser dans ce système., Dans ce schéma, une voile secondaire de 100 kilomètres est déployée à l’arrière de l’engin spatial, tandis que la grande voile primaire est détachée de l’engin pour continuer à avancer seule. La lumière est réfléchie de la grande voile primaire vers la voile secondaire, qui est utilisée pour ralentir la voile secondaire et la charge utile du vaisseau spatial. En 2002, Geoffrey A. Landis du Glen Research center de la NASA a également proposé un voilier à propulsion laser qui accueillerait une voile en diamant (de quelques nanomètres d’épaisseur) alimentée à l’énergie solaire., Avec cette proposition, ce vaisseau interstellaire serait théoriquement capable d’atteindre 10% de la vitesse de la lumière. Il a également été proposé d’utiliser une propulsion à faisceau pour accélérer un vaisseau spatial, et une propulsion électromagnétique pour le décélérer; éliminant ainsi le problème que le statoréacteur Bussard A avec la traînée produite lors de l’accélération.,

Une voile magnétique pourrait également décélérer à sa destination sans dépendre du carburant transporté ou d’un faisceau de route dans le système de destination, en interagissant avec le plasma trouvé dans le vent solaire de l’étoile de destination et le milieu interstellaire.

le tableau suivant énumère quelques exemples de concepts utilisant la propulsion laser rayonnée comme proposé par le physicien Robert L. Forward:

interstellar travel catalog pour utiliser des aides photogravitationnelles pour un arrêt completmodifier

Le tableau suivant est basé sur les travaux de Heller, Hippke et Kervella.,

• LES ASSISTANCES successives aux α Cen A et B pourraient permettre des temps de déplacement de 75 ans vers les deux étoiles.
• Lightsail a un rapport masse / surface nominal (σnom) de 8,6×10-4 grammes m-2 pour une voile nominale de classe graphène.
• surface de la voile lumineuse, environ 105 m2 = (316 m) 2
• vitesse jusqu’à 37 300 km s−1 (12,5% c)

carburant pré-accélérémodifier

atteindre des temps de voyage interstellaire start-stop inférieurs à une vie humaine nécessite des rapports de masse compris entre 1 000 et 1 000 000, même pour les étoiles les plus proches. Cela pourrait être réalisé par des véhicules à plusieurs étages à grande échelle., Alternativement, de grands accélérateurs linéaires pourraient propulser du carburant vers des véhicules spatiaux propulsés par fission, évitant ainsi les limites de l’équation de la fusée.

concepts Théoriquesmodifier

voyage plus rapide que la lumièremodifier

Les scientifiques et les auteurs ont postulé un certain nombre de façons par lesquelles il pourrait être possible de dépasser la vitesse de la lumière, mais même les plus sérieux d’entre eux sont hautement spéculatifs.

Il est également discutable de savoir si un voyage plus rapide que la lumière est physiquement possible, en partie à cause de problèmes de causalité: voyager plus vite que la lumière peut, dans certaines conditions, permettre de voyager à l’envers dans le temps dans le contexte de la relativité restreinte., Les mécanismes proposés pour un voyage plus rapide que la lumière dans la théorie de la relativité générale nécessitent l’existence de matière exotique et on ne sait pas si cela pourrait être produit en quantité suffisante.,

Alcubierre driveEdit

en physique, le lecteur Alcubierre est basé sur un argument, dans le cadre de la relativité générale et sans introduction de trous de ver, selon lequel il est possible de modifier l’espace-temps de manière à permettre à un vaisseau spatial de voyager à une vitesse arbitrairement grande par une expansion locale de l’espace-temps derrière le vaisseau spatial et une contraction opposée devant lui. Néanmoins, ce concept nécessiterait que le vaisseau spatial incorpore une région de matière exotique, ou un concept hypothétique de masse négative.,

trou noir Artificielmodifier

une idée théorique pour permettre le voyage interstellaire est de propulser un vaisseau en créant un trou noir artificiel et en utilisant un réflecteur parabolique pour refléter son rayonnement de Hawking. Bien qu’au-delà des capacités technologiques actuelles, un vaisseau spatial à trou noir offre certains avantages par rapport à d’autres méthodes possibles. Obtenir le trou noir d’agir comme une source d’alimentation et le moteur nécessite également un moyen de convertir le rayonnement de Hawking dans l’énergie et l’impulsion., Une méthode potentielle consiste à placer le trou au point focal d’un réflecteur parabolique fixé au navire, créant une poussée vers l’avant. Une méthode un peu plus facile, mais moins efficace consisterait simplement à absorber tout le rayonnement gamma se dirigeant vers l’avant du navire pour le pousser vers l’avant, et laisser le reste tirer vers l’arrière.

trous de Vermodifier

Les trous de ver sont des distorsions conjecturales dans l’espace–temps qui, selon les théoriciens, pourraient relier deux points arbitraires de l’univers, à travers un pont Einstein-Rosen. On ne sait pas si les trous de ver sont possibles dans la pratique., Bien qu’il existe des solutions à L’équation D’Einstein de la relativité générale qui permettent des trous de ver, toutes les solutions actuellement connues impliquent une hypothèse, par exemple l’existence d’une masse négative, qui peut être non physique. Cependant, Cramer et al. soutenez que de tels trous de ver pourraient avoir été créés dans l’univers primitif, stabilisés par des cordes cosmiques. La théorie générale des trous de ver est discutée par Visser dans le livre Lorentzian Wormholes.