« La voile lumineuse voyagera plus vite que n’importe quel vaisseau spatial précédent, avec le potentiel d’ouvrir à terme des distances interstellaires pour diriger l’exploration des vaisseaux spatiaux. »
Des scientifiques du California Institute of Technology ont fait un grand pas en avant vers le développement de voiles lumineuses qui pourraient un jour transporter de minuscules vaisseaux spatiaux vers des systèmes stellaires lointains.
Les nouvelles découvertes détaillent une méthode permettant de mesurer la force de la lumière laser sur ce que l’on appelle des « membranes ultrafines ». Ces recherches pourraient contribuer à faire progresser la vision de l’initiative Breakthrough Starshot sur les voyages spatiaux propulsés par laser.
Lancé en 2016 par le regretté Stephen Hawking et l’investisseur technologique Yuri Milner, Breakthrough Starshot vise à envoyer des sondes miniatures vers Alpha du Centaure , le système stellaire le plus proche de la Terre. Le projet s’appuie sur des lasers de haute puissance sur Terre qui propulsent des sondes délicates propulsées par des voiles dans le cosmos, comme le fait le vent pour les voiliers ici sur la planète, permettant à l’engin d’atteindre des vitesses record sans avoir besoin d’un propulseur chimique.
Les voiles lumineuses sont une forme plus générique de voile solaire, dans la mesure où elles utilisent la pression de rayonnement d’une source lumineuse pour générer une propulsion.
La pression de rayonnement est le transfert de l’élan du rayonnement frappant une surface comme le fait le vent aux voiles en toile ici sur Terre. Les photons n’ont pas de masse, mais ils transfèrent quand même une partie de leur élan lorsqu’ils frappent un objet, le poussant très légèrement.
Un seul photon ne fait pas beaucoup de différence, mais des milliards et des milliards de photons frappant une surface s’additionnent, en particulier dans le vide spatial .
Le rayonnement solaire est donc suffisant pour dévier les engins spatiaux interplanétaires de leur trajectoire à des milliers de kilomètres. Cet effet doit donc être pris en compte lors de l’envoi de sondes vers Mars ou d’autres planètes.
Mais une version à plus haute énergie de ce phénomène pourrait utiliser un faisceau laser terrestre ou spatial pour pousser une voile lumineuse sur un vaisseau spatial de manière plus dirigée.
Le faisceau fournissant une source de pression constante sur la voile, l’effet cumulé de cette pression de rayonnement permet d’atteindre des vitesses nettement plus rapides et plus fiables que celles que l’on pourrait obtenir avec des fusées complexes utilisant la propulsion chimique.
La voile lumineuse voyagera plus vite que n’importe quel vaisseau spatial précédent, avec le potentiel d’ouvrir éventuellement des distances interstellaires pour diriger l’exploration des vaisseaux spatiaux », a déclaré Harry Atwater de Caltech, président de la direction Otis Booth de la division d’ingénierie et de sciences appliquées, dans un communiqué de Caltech .
Mesurer la force de la lumière sur une voile
L’équipe d’Atwater a mis au point une plateforme de test pour mesurer la force exercée par les lasers sur un « trampoline » microscopique en nitrure de silicium, d’une épaisseur de seulement 50 nanomètres.
La voile miniature, une feuille carrée de 40 microns de côté, est attachée aux coins par des ressorts en nitrure de silicium et vibre lorsqu’elle est frappée par un laser. En détectant ces minuscules mouvements, les chercheurs peuvent calculer la force du faisceau laser et sa puissance.
« Le développement d’une membrane qui pourrait être utilisée comme voile lumineuse pose de nombreux défis. Elle doit résister à la chaleur, conserver sa forme sous pression et se déplacer de manière stable le long de l’axe d’un faisceau laser », a déclaré Atwater.
« Mais avant de pouvoir commencer à construire une telle voile, nous devons comprendre comment les matériaux réagissent à la pression de rayonnement des lasers. Nous voulions savoir si nous pouvions déterminer la force exercée sur une membrane simplement en mesurant ses mouvements. Il s’avère que nous le pouvons. »
Les auteurs principaux de l’étude, le chercheur postdoctoral Lior Michaeli et l’étudiant diplômé Ramon Gao, ont construit un dispositif spécialisé appelé interféromètre à chemin commun. Celui-ci permet de mesurer avec précision le mouvement de la membrane en annulant le bruit de fond tel que les petites vibrations dans le laboratoire provenant des équipements ou même des personnes qui parlent.
« Nous avons non seulement évité les effets de chaleur indésirables, mais nous avons également utilisé ce que nous avons appris sur le comportement de l’appareil pour créer une nouvelle façon de mesurer la force de la lumière », a déclaré Michaeli.
Gao a ajouté que la plate-forme peut mesurer les mouvements et les rotations d’un côté à l’autre, ouvrant la voie à de futures conceptions de voiles lumineuses capables de s’autocorriger si elles s’écartent du faisceau laser.
À terme, l’équipe espère intégrer des nanomatériaux et des métamatériaux avancés pour stabiliser les voiles lumineuses pendant leur voyage. « Il s’agit d’une étape importante vers l’observation des forces et des couples optiques conçus pour permettre à une voile lumineuse en accélération libre de traverser le faisceau laser », a déclaré Gao.
Plusieurs projets de voiles légères sont en cours, et la NASA a déployé une voile solaire l’année dernière , bien qu’elle ait rencontré quelques problèmes mécaniques , soulignant l’importance des recherches de l’équipe de Caltech pour affiner davantage la conception de ces voiles.
Les résultats ont été publiés le 30 janvier dans la revue Nature Photonics
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