Le 31 octobre 1936, six jeunes bricoleurs surnommés les « Rocket Boys » ont failli s’incinérer en tentant de s’affranchir de la gravité terrestre. Le groupe s’était rassemblé dans un ravin au pied des montagnes San Gabriel en Californie pour tester un petit moteur à réaction alimenté à l’alcool. Ils voulaient prouver que les moteurs-fusées pouvaient s’aventurer dans l’espace, à une époque où de telles idées étaient largement tournées en ridicule. Cet objectif a été perturbé lorsqu’une conduite d’oxygène a pris feu et s’est agitée sauvagement en lançant des flammes.
L’audace des Rocket Boys a attiré l’attention de l’aérodynamicien Theodore von Karman, qui travaillait déjà avec deux d’entre eux à Caltech. Non loin du lieu de leur mésaventure ardente, il établit une petite zone d’essai où les Rocket Boys reprirent leurs expériences. En 1943, le site est devenu le Jet Propulsion Laboratory (JPL), et von Karman son premier directeur. Depuis, le JPL est devenu un centre de terrain tentaculaire de la NASA avec des milliers d’employés, mais il a su conserver sa motivation fondatrice : tester les limites de l’exploration, au mépris des conventions.
Ils ont connu de nombreux succès au fil des ans. Au début des années 1970, les ingénieurs du JPL ont construit Pioneer 10, le premier engin spatial à atteindre la vitesse d’échappement du système solaire. Quelques années plus tard, ils ont poursuivi avec Voyagers 1 et 2, les plus rapides des nombreux objets visant l’espace interstellaire. Entre le début de l’ère spatiale et le lancement des vaisseaux Voyager, soit en l’espace de deux décennies seulement, les spécialistes des fusées ont plus que doublé la vitesse de vol. Mais au cours des décennies qui ont suivi, un seul autre vaisseau spatial a suivi les Voyager hors du système solaire, et aucun ne l’a fait à une vitesse aussi élevée. Aujourd’hui, les fuséologues du JPL s’agitent à nouveau et préparent discrètement le prochain grand saut.
Le thème constant de ces nouveaux efforts est que le système solaire ne suffit pas. Il est temps de s’aventurer au-delà des planètes connues, en direction des étoiles. John Brophy, ingénieur de vol au JPL, développe un nouveau moteur qui pourrait accélérer les voyages spatiaux d’un autre facteur 10. Leon Alkalai, architecte de mission au JPL, prépare un voyage lointain qui commencerait par un improbable plongeon vers le soleil, digne d’Icare. Et Slava Turyshev, chercheur au JPL, a peut-être l’idée la plus folle de toutes, un télescope spatial qui pourrait fournir un regard intime sur une lointaine planète semblable à la Terre – sans y aller réellement.
Ce sont tous des plans d’ensemble (pas entièrement fous, selon Brophy), mais si même un seul réussit, les implications seront énormes. Les Rocket Boys et leurs semblables ont aidé à lancer les humains en tant qu’espèce spatiale. La génération actuelle du JPL pourrait être celle qui nous mènera vers l’interstellaire.
Rocket Reactions
Pour Brophy, l’inspiration est venue de Breakthrough Starshot, un projet d’une audace extravagante annoncé en 2016 par feu Stephen Hawking et le milliardaire russe Yuri Milner. L’objectif ultime du projet est de construire un réseau de lasers d’un kilomètre de large qui pourrait faire exploser un vaisseau spatial miniature à 20 % de la vitesse de la lumière, lui permettant d’atteindre le système stellaire Alpha Centauri (notre plus proche voisin stellaire) en seulement deux décennies.
Brophy était sceptique mais intrigué. Les aspirations ambitieuses ne sont pas nouvelles pour lui. « Le JPL encourage les gens à sortir des sentiers battus, et mes idées farfelues le deviennent de plus en plus avec le temps », dit-il. Même selon cette norme, le concept de Starshot lui semblait un peu trop éloigné de la réalité technologique. Mais il a commencé à se demander s’il ne pourrait pas reprendre le même concept, mais en le réduisant de manière à ce qu’il soit réalisable de notre vivant.
Ce qui a particulièrement captivé Brophy, c’est l’idée d’utiliser un faisceau laser de type Starshot pour aider à résoudre « l’équation de la fusée », qui lie le mouvement d’un vaisseau spatial à la quantité de propergol qu’il transporte. L’équation de la fusée confronte chaque aspirant explorateur de l’espace à sa logique cruelle. Si vous voulez aller plus vite, vous avez besoin de plus de carburant, mais plus de carburant ajoute de la masse. Plus de masse signifie que vous avez besoin d’encore plus de carburant pour transporter ce poids supplémentaire. Ce carburant rend l’ensemble encore plus lourd, et ainsi de suite. C’est pourquoi il a fallu une fusée de 1,4 million de livres pour lancer les sondes Voyager de 1 800 livres : Le poids de départ était presque entièrement constitué de carburant.
Depuis ses études supérieures à la fin des années 1970, Brophy a développé un type de fusée beaucoup plus efficace, connu sous le nom de propulsion ionique. Un moteur ionique utilise l’énergie électrique pour projeter des atomes chargés positivement (appelés ions) hors d’un propulseur à grande vitesse. Chaque atome ne donne qu’un petit coup de pouce, mais collectivement, ils peuvent pousser la fusée à une vitesse bien supérieure à celle d’une fusée chimique classique. Mieux encore, l’énergie nécessaire pour faire fonctionner le moteur ionique peut provenir de panneaux solaires – pas besoin de réservoirs de carburant ou de générateurs embarqués lourds. En tirant plus de vitesse d’une quantité moindre de propergol, la propulsion ionique contribue grandement à résoudre l’équation de la fusée.
Mais les moteurs ioniques présentent leurs propres inconvénients. Plus ils s’éloignent du soleil, plus ils sont limités par la quantité d’électricité que leurs panneaux solaires peuvent générer. Vous pouvez rendre les panneaux énormes, mais alors vous ajoutez beaucoup de poids, et l’équation de la fusée vous claque à nouveau. Et les moteurs ioniques ont une poussée si faible qu’ils ne peuvent pas quitter le sol par eux-mêmes ; il leur faut ensuite beaucoup de temps dans l’espace pour accélérer jusqu’à leur vitesse record. M. Brophy connaît bien ces questions : Il a participé à la conception du moteur ionique embarqué à bord du vaisseau spatial Dawn de la NASA, qui vient de terminer une mission de 11 ans vers l’astéroïde Vesta et la planète naine Cérès. Même avec sa formidable envergure de 65 pieds de cellules solaires, Dawn est passée de zéro à 60 en quatre jours sans hâte.
Ion the Prize
Alors que Brophy réfléchissait à cette impasse entre des moteurs efficaces et une énergie solaire insuffisante, le concept Breakthrough Starshot est apparu, et a fait tourner les engrenages dans sa tête. Il s’est demandé : Et si vous remplaciez le soleil par un rayon laser de haute intensité pointé sur votre vaisseau spatial ? Alimenté par le laser plus efficace, votre moteur ionique pourrait fonctionner beaucoup plus fort tout en gagnant du poids en n’ayant pas à transporter votre source d’énergie à bord.
Deux ans après son épiphanie, Brophy me fait visiter une chambre d’essai de la taille d’un SUV au JPL, où il met à l’épreuve un moteur ionique haute performance. Son prototype utilise des ions lithium, qui sont beaucoup plus légers que les ions xénon utilisés par Dawn, et ont donc besoin de moins d’énergie pour atteindre des vitesses plus élevées. Il fonctionne également à 6 000 volts, contre 1 000 volts pour Dawn. « Les performances de cette chose seraient très étonnantes si vous aviez le laser pour l’alimenter », dit-il.
Il y a juste un petit problème : Ce laser n’existe pas. Bien qu’il ait radicalement réduit la taille du concept Starshot, Brophy envisage toujours un système laser spatial de 100 mégawatts, générant 1 000 fois plus de puissance que la Station spatiale internationale, visant précisément un vaisseau spatial qui s’éloigne rapidement. « Nous ne sommes pas sûrs de savoir comment le faire », concède-t-il. Ce serait de loin le plus grand projet d’ingénierie hors du monde jamais entrepris. Une fois construit, cependant, le réseau pourrait être utilisé maintes et maintes fois, avec différentes missions, comme un booster de fusée tout usage.
A titre d’exemple, Brophy décrit un vaisseau spatial alimenté par lithium-ion avec des ailes de 300 pieds de panneaux photovoltaïques alimentant une version grandeur nature du moteur qu’il développe au JPL. Le laser baignerait les panneaux dans une lumière cent fois plus intense que celle du soleil, ce qui permettrait au moteur ionique de fonctionner d’ici à Pluton, à environ 4 milliards de kilomètres. Le vaisseau spatial pourrait alors se laisser porter par sa vitesse considérable, accumulant 4 milliards de kilomètres supplémentaires tous les ans ou tous les deux ans.
À ce rythme, un vaisseau spatial pourrait rapidement explorer les zones sombres d’où proviennent les comètes, ou partir pour la planète 9, encore inconnue, ou aller… presque partout dans le voisinage général du système solaire.
« C’est comme si nous avions ce nouveau marteau brillant, alors je vais partout à la recherche de nouveaux clous à enfoncer », dit Brophy en rêvant. « Nous avons toute une longue liste de missions que vous pourriez faire si vous pouviez aller vite. »
Puits du milieu interstellaire
Après le génial vertige de Brophy, c’est un choc de parler à Alkalai, chargé de formuler de nouvelles missions à la direction de l’ingénierie et des sciences du JPL. Assis dans son grand bureau vitré, il semble tout à fait l’administrateur sans état d’âme, mais lui aussi est un homme avec une vision exploratoire.
Comme Brophy, Alkalai pense que les gens de Breakthrough Starshot ont la bonne vision, mais pas assez de patience. « Nous sommes loin d’être là où nous devons être technologiquement pour concevoir une mission vers une autre étoile », dit-il. « Nous devons donc commencer par faire des petits pas. »
Alkalai a une étape spécifique en tête. Bien que nous ne puissions pas encore visiter une autre étoile, nous pouvons envoyer une sonde pour échantillonner le milieu interstellaire, le gaz et la poussière épars qui circulent entre les étoiles.
« Je suis très intéressé par la compréhension de la matière en dehors du système solaire. En fin de compte, nous avons été créés à partir de cela. La vie est née de ces nuages de poussière primordiaux », explique Alkalai. « Nous savons qu’il y a des matériaux organiques dedans, mais de quel type ? Quelles sont les abondances ? Y a-t-il des molécules d’eau ? Ce serait énorme à comprendre. »
Le milieu interstellaire reste mal compris parce que nous ne pouvons pas mettre la main dessus : Un souffle constant de particules en provenance du soleil – le vent solaire – le pousse loin de la Terre. Mais si nous pouvions aller au-delà de l’influence du soleil, à une distance de 20 milliards de miles (environ 200 fois la distance de la Terre au soleil), nous pourrions enfin examiner, pour la première fois, des échantillons vierges de notre galaxie natale.
Alkalai veut des réponses, et il veut voir les résultats de première main. Il a 60 ans, ce qui lui impose un calendrier agressif – pas le temps d’attendre des lasers spatiaux géants. Il propose plutôt une technologie plus simple, bien qu’encore non éprouvée, connue sous le nom de fusée solaire thermique. Cette fusée transporterait une grande quantité d’hydrogène liquide froid, protégé d’une manière ou d’une autre de la chaleur du soleil, et effectuerait une descente fulgurante jusqu’à environ 1 million de kilomètres de la surface solaire. À l’approche la plus proche, la fusée laisserait la chaleur solaire intense se déverser, peut-être en larguant un bouclier. L’énergie solaire vaporiserait rapidement l’hydrogène, l’envoyant à toute vitesse hors de la tuyère de la fusée. La poussée combinée de l’hydrogène qui s’échappe et l’assistance de la gravité du soleil permettraient au vaisseau d’entamer son voyage interstellaire à une vitesse de 60 miles par seconde, plus rapide que n’importe quel objet humain jusqu’à présent – et cela ne fera que s’accélérer à partir de là.
« C’est très difficile, mais nous modélisons la physique maintenant », dit Alkalai. Il espère commencer à tester les éléments d’un système de fusée thermique cette année, puis développer son concept en une mission réaliste qui pourrait être lancée dans la prochaine décennie environ. Elle atteindrait le milieu interstellaire une décennie plus tard. En plus d’échantillonner notre environnement galactique, une telle sonde pourrait examiner comment le soleil interagit avec le milieu interstellaire, étudier la structure de la poussière dans le système solaire et peut-être visiter une planète naine lointaine en cours de route.
Ce serait un voyage, dit Alkalai, « comme rien de ce que nous avons fait dans le passé. »
Catch A Glimpse
Les fusées thermiques solaires et les moteurs à ions laser, aussi impressionnants soient-ils, restent absurdement inadaptés pour franchir l’énorme fossé qui sépare notre système solaire des exoplanètes – des planètes en orbite autour d’autres étoiles. Dans l’esprit des Rocket Boys, Turyshev ne laisse pas l’absurdité l’arrêter. Il développe une solution de rechange astucieuse : une mission virtuelle vers une autre étoile.
Turyshev me dit qu’il veut envoyer un télescope spatial vers une région connue sous le nom de lentille gravitationnelle solaire (LGS). Cette zone commence à une distance intimidante de 50 milliards de miles, bien que ce soit encore des centaines de fois plus proche que nos voisins stellaires les plus proches. Une fois que vous êtes assez loin dans la LGC, quelque chose de merveilleux se produit. Lorsque vous regardez vers le soleil, tout objet situé directement derrière lui apparaît étiré, formant un anneau, et fortement agrandi. Cet anneau est le résultat de l’intense gravité de notre étoile, qui déforme l’espace comme une lentille, modifiant l’apparence de la lumière de l’objet distant.
Si vous vous positionnez correctement dans le SGL, l’objet agrandi derrière le soleil pourrait être une exoplanète intrigante. Un télescope spatial flottant au SGL, explique Turyshev, pourrait alors manœuvrer autour, échantillonnant différentes parties de l’anneau lumineux et reconstruisant les bribes de lumière courbée en instantanés mégapixels de la planète en question.
Je dois l’interrompre ici. A-t-il dit mégapixel, comme la résolution que vous avez sur votre téléphone avec appareil photo ? Oui, il parle vraiment d’une image mesurant 1 000 par 1 000 pixels, assez bonne pour voir des détails de moins de 10 miles de large sur une planète située jusqu’à 100 années-lumière (600 trillions de miles !).
« Nous pourrions jeter un coup d’œil sous les nuages et voir les continents. Nous pourrions voir les modèles météorologiques et la topographie, ce qui est très excitant « , dit Turyshev. Il ne le mentionne pas, mais il n’a pas besoin de le faire : Ce type de résolution pourrait également révéler des mégapoles ou d’autres structures artificielles géantes, si elles existent.
En supposant que les boffins du JPL puissent résoudre les problèmes de transport pour se rendre au SGL, la mission elle-même est assez simple, bien qu’énormément difficile. Turyshev et ses collaborateurs (dont Alkalai) devront développer un télescope spatial de la taille de Hubble,
ou une mini-flotte de télescopes plus petits, qui puisse survivre au voyage de 30 ans. Ils devront perfectionner une intelligence artificielle embarquée capable de mener des opérations sans guidage depuis la maison. Par-dessus tout, ils auront besoin d’une cible – une planète si intrigante que les gens sont prêts à passer des décennies et à dépenser des milliards de dollars pour l’étudier. Le télescope spatial TESS de la NASA effectue actuellement une partie de ce travail de reconnaissance, en scrutant les mondes de taille terrestre autour des étoiles locales.
« En fin de compte, pour voir la vie sur une exoplanète, nous devrons la visiter. Mais une mission de lentille gravitationnelle vous permet d’étudier les cibles potentielles plusieurs décennies, voire des siècles, plus tôt », dit joyeusement Turyshev.
Un voyage vers le SGL nous amènerait au-delà des petits pas d’Alkalai, bien sur la voie de l’exploration interstellaire. C’est un autre objectif audacieux, mais au moins les chances de prendre feu sont beaucoup plus faibles cette fois-ci.
Corey S. Powell, un rédacteur collaborateur de Discover, écrit également pour le blog Out There du magazine. Suivez-le sur Twitter : @coreyspowell. Cette histoire a été publiée à l’origine dans la presse sous le titre « Boldly Go »
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