La technologie

Le nouveau vaisseau spatial de la NASA volera avec la lumière

En 1418, les voiliers européens ont quitté leurports pour explorer l’océan Atlantique et l’ère des grandes découvertes géographiques a commencé. En 2018, une petite sonde spatiale déploiera la voile et commencera le voyage vers un astéroïde distant. Ce sera le premier vaisseau spatial de la NASA à se déplacer au-delà de l'orbite terrestre uniquement à la lumière du soleil. Une telle technologie pourrait ouvrir la voie à une exploration à faible coût du système solaire et finalement de l’espace interstellaire.

Sonde d'éclaireur astéroïde proche de la Terre d'une valeur de 16million de dollars est parmi les 13 biens de valeur annoncés par la NASA l'autre jour. Tous iront de pair avec le lancement du Space Launch System, une grande fusée conçue pour remplacer les navettes spatiales qui acheminera autrefois le vaisseau spatial Orion sur Mars.

NEA Scout mettra deux ans et demi à atteindredestination, un petit astéroïde 1991 VG. Mais ce ne sera pas une croisière décontractée. La traction continue sera assurée par la lumière du soleil frappant une voile solaire, ce qui accélérera la sonde à une vitesse de 103 000 km / h par rapport au soleil.

Après un certain temps, un engin spatial équipé d’une voile solaire peut accélérer plus qu’un engin spatial de tailles similaires avec une fusée chimique classique.

«La voile remporte la course en termes d’ultimatecomme une tortue tourne autour d'un lièvre », explique Les Johnson, conseiller technique pour les concepts avancés de la NASA au Space Center. Marshall. Une fusée chimique fournit une poussée initiale énorme, mais finit par brûler son carburant. "Comme la voile n'utilise pas de carburant, nous pouvons maintenir la traction pendant que le soleil brille."

Le contenu

  • 1 matériau léger
  • 2 mouvement léger
  • 3 énergie positive
  • 4 Prochain arrêt: Alpha Centauri

Matériau léger

Voiles solaires en matériau ultra-finavec une réflectivité élevée. Lorsque le photon du soleil frappe la surface du miroir, il rebondit sur la voile et transmet son élan à l’engin spatial - tout comme une balle de billard transmet son élan lorsqu’elle heurte une autre balle sur la table.

L’idée d’une voile solaire existe depuis 1924,Lorsque la légende de la science soviétique des fusées, Konstantin Tsiolkovsky et Fridrik Zander ont conçu un vaisseau spatial "utilisant de grands miroirs à partir de feuilles très minces" et "la pression du soleil pour atteindre des vitesses d'espace". Quarante ans plus tard, l'écrivain de science-fiction Arthur Clark a popularisé cette idée dans son roman, Le vent du soleil.

La NASA a commencé à investir dans la technologie solairenavigue à la fin des années 90. En 2010, l’agence a lancé avec succès un petit satellite de navigation à voile en orbite terrestre, où il est resté 240 jours avant de pénétrer dans l’atmosphère et de s’éteindre.

La même année, l’Agence spatiale japonaisedémontré la possibilité d'utiliser des voiles solaires pour les voyages interplanétaires. L'appareil de test était fixé au tableau de la sonde vénusienne "Akatsuki". Un appareil à énergie solaire appelé IKAROS a été découvert dans l'espace par une sonde alors qu'il se trouvait à 7 millions de kilomètres de la Terre. Six mois plus tard, IKAROS a survolé Vénus avec succès.

Les voiles solaires sont devenues possibles grâce à la révolution dans le domaine de l'électronique.

La chose est que le projet de voile solaireest une sorte d’otage de la deuxième loi du mouvement de Newton: la force est égale à la masse multipliée par l’accélération. La puissance de la lumière solaire est constante. Par conséquent, pour obtenir une accélération élevée, vous aurez besoin d’une faible masse.

“Il y a 25-30 ans, l'électronique n'était passi facile, dit Johnson. - Il était impossible d’imaginer la construction d’un vaisseau spatial suffisamment petit pour ne pas nécessiter une énorme voile. Avec l'avènement des smartphones et la miniaturisation de composants, nous pouvons maintenant construire un vaisseau spatial vraiment léger et petit, ce qui signifie qu'il faudra une voile d'une taille raisonnable. "

Johnson cite l'exemple de CubeSat - miniaturedés satellites construits à partir de technologies "prêtes à l'emploi". Le NEA Scout sera un CubeSat de la taille d’une boîte à chaussures qu’une voile solaire de 86 mètres carrés poussera. m

Malgré sa taille modeste, la sonde est emballéesuffisamment d’outils pour mener des recherches approfondies sur l’astéroïde VG 1991, photographier et mesurer la composition chimique, la taille et les mouvements de l’objet.

La NASA voit dans cette intelligence un premier pas important versfutures missions habitées aux astéroïdes. Si un astronaute est sur le point d'explorer la surface d'une roche cosmique, la NASA veut s'assurer que celle-ci tourne de manière lente et prévisible et qu'elle ne tourne pas dans des directions différentes. De même, l’agence spatiale veut savoir à l’avance si l’astéroïde est solide ou représenté par un tas de pierres maintenues par gravité.

Mouvement léger

Au cours de sa mission, NEA Scout mettra en œuvre les deuxau moins une approche lente à courte distance - sa vitesse chutera à 10 mètres par seconde et le périphérique passera à un demi-kilomètre de la surface de l'astéroïde. Cela indique un autre avantage des voiles solaires: elles sont très maniables, parfois même supérieures aux méthodes de déplacement traditionnelles.

La clé du contrôle de la navigation - que ce soit l'Atlantiqueocéan ou l'espace - réside dans la création d'une poussée asymétrique. Il existe de nombreuses façons de le créer en utilisant les équivalents célestes de mâts et de gréement. IKAROS a un revêtement électro-optique qui s'assombrit sous l'effet d'une tension, absorbant la lumière plutôt que de la réfléchir. Il est ainsi possible de "régler" une partie de la voile afin qu'elle reçoive la moitié du soleil plus que l'autre et déployer l'appareil.

NEA Scout adoptera une approche différente en utilisant un mécanisme coulissant qui déplace le CubeSat vers l'avant et vers l'arrière par rapport aux cadres sur lesquels la voile est déployée.

"Si vous imaginez une canette de cola, quiavec notre machine, et placez une feuille de papier à plat sur le dessus, ce sera une voile », explique Johnson. - Ensuite, imaginez que vous déplacez simplement la feuille de gauche à droite. C'est comme ça que ça va être. L'inclinaison de la voile vous permet également de régler la vitesse.

La flexibilité d'un engin spatial à voile solaire, combinée à une poussée constante et à une réserve de carburant inépuisable, ouvre la voie à plusieurs possibilités intéressantes.

Disons que vous voulez envoyer une sonde au dessus d'un avionsystème solaire écliptique pour explorer le pôle nord du soleil. Pour changer radicalement de direction et de vitesse, sans utiliser de carburant précieux, les ingénieurs s’appuient généralement sur la gravité. «Nous devons maintenant envoyer la navette spatiale à Jupiter pour une manœuvre gravitationnelle afin de la sortir du plan écliptique et d’obtenir un angle d’orbite plus grand autour du Soleil», explique Johnson. "Avec une voile, il sera assez simple de le diriger."

Une autre application potentielle est déjà plus proche deà la maison, il s’agit d’un satellite "assis sur le pôle". Maintenant, si vous souhaitez réparer un satellite dans une certaine position par rapport à un endroit sur Terre - et cela serait très utile pour les technologies de communication - vous ne pouvez l'envoyer que sur une orbite géostationnaire, strictement au-dessus de l'équateur, à une altitude de 35 786 kilomètres au-dessus de la Terre.

Mais avec une voile "vous pouvez être au-dessus du nordou le pôle sud de la Terre et tournent autour du Soleil à la même vitesse que la Terre tourne autour du Soleil », déclare Johnson. - Pour vaincre la gravité de la Terre, il suffit de diriger la voile pour qu'elle vous pousse tout le temps. Ainsi, tu voles immobile au-dessus du pôle Nord ou Sud.

Énergie positive

Les photons - que nous voyons comme la lumière du soleil - ne sont pasle seul carburant pour le vaisseau spatial produit par le soleil. Les scientifiques de la NASA ont récemment reçu des fonds supplémentaires pour la recherche sur le concept avancé de voile ultra-rapide, propulsée par des particules chargées dans le vent solaire.

C'est ce qu'on appelle une voile électrique, e-sail. Cette idée a été proposée pour la première fois par Pekka Janhunen, chercheur à l'Institut météorologique finlandais. Il a présenté un appareil entouré de 20 fils minces de 20 km de long chacun.

Ces fils génèrent une charge positiveun champ électrique s'étendant sur des dizaines de mètres dans l'espace. Les protons du vent solaire se déplaçant à des vitesses supérieures à 750 km / s sont repoussés par ce champ électrique en réponse à l'expulsion de l'engin spatial. Les particules du vent solaire chargées négativement sont neutralisées par une sorte de "canon à électrons", de sorte que la voile électrique maintient un champ électrique chargé positivement.

La voile électrique aura beaucoup de carburant. Si la lumière du soleil qui pousse la voile solaire faiblit considérablement lorsque la sonde atteint la ceinture d'astéroïdes, le vent solaire souffle toujours violemment. Au fil du temps, la voile électrique peut être accélérée à 100-150 km / s.

Cela signifie que les sondes spatiales peuvent atteindreJupiter dans seulement deux ans ou Pluton dans cinq ans. Une voile électrique peut offrir de nouvelles possibilités d'exploration de l'espace et nous permet d'effectuer un voyage rapide en dehors du système solaire, dans l'espace interstellaire.

Il a fallu 35 ans à Voyager 1 pour atteindre les frontières du système solaire. Une voile solaire effectuerait une telle tournée dans 20 ans et une voile électrique dans 10 ans.

«Je dois admettre, il y a deux ans et demi,quand mon patron est venu me voir et m'a dit: «Nous voulons que vous examiniez cela», j'ai franchement henni », déclare Bruce Wigmann, ingénieur système de la NASA. - Ensuite, nous avons regardé et dit, disent-ils, très intéressant. Ils sont passés des incroyants aux croyants. "

Wigmann pense en effet que le prototypepeut être lancé en seulement cinq ans. Mais vous devez résoudre quelques problèmes importants. Bien qu'une voile électrique n'ait pas besoin de carburant, elle a besoin d'une source d'énergie puissante pour un canon à électrons qui bat les électrons. Combien d'énergie? Dépend du nombre d'électrons que la voile électrique recueille. Les experts de la NASA étudient ce problème en utilisant un fil chargé dans une chambre à plasma simulant le vent solaire.

Un autre problème est d'empêchercourbures de longs fils minces lorsqu’ils sont exposés au vent solaire. Solution: faites tourner l’appareil à une vitesse suffisante pour que la force centrifuge soit suffisante pour que les fils restent étirés.

Prochain arrêt: Alpha Centauri

En dehors de la NASA, Forest Johnson a un autre travail: il écrit de la science-fiction. En fait, il est reconnaissant au roman de 1974 «La chienne à l’œil de Dieu» de susciter l’intérêt pour les voiles solaires.

Pas étonnant qu'il rêve d'un avenir lointain. Il veut que la voile solaire aille vers un autre système solaire.

«Nous pourrions construire un grand laser», déclareil est. - Au fur et à mesure que la voile s'éloigne du soleil et que la lumière du soleil diminue de moins en moins, vous pouvez la mettre en évidence avec une lumière laser tout en continuant de bouger. Le laser restera dans l'orbite du soleil, continuant d'accélérer la voile de plus en plus rapidement jusqu'à ce qu'elle quitte le système solaire. ”

Bien sûr, des difficultés techniques subsistent,qui devra être décidé. Premièrement, la voile devrait avoir la taille du Texas. Et le laser orbital devra générer de l’énergie, dont le volume peut être comparé à celui que le monde entier produit aujourd’hui. Cela semble, bien sûr, mais on peut faire beaucoup en cent ans.

Le premier vaisseau spatial créé par l'homme etenvoyé à un autre système, peut y arriver comme ses ancêtres océaniques à l’époque des Grandes découvertes géographiques: voiles déployées, navigation à travers les étoiles.