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Cet article a précédemment été publié dans le Bifrost n°15, paru en novembre 1999 et dans le livre SF, la science mène l'enquête, paru en 2007 et toujours disponible aux éditions Le Pommier.

Qui n’a jamais rêvé d’atteindre les étoiles ?

Thème majeur de la science-fiction, où il est assez courant de voir des voyageurs prendre le jet intersidéral comme d’autres prennent le bus, le voyage interstellaire ne semble pas beaucoup préoccuper les grandes agences spatiales. En fait, il n’y eut que deux tentatives sérieuses d’aborder le problème : le projet Orion, qui se déroula de 1958 à 1965, et le projet Daedalus, entre 1973 et 1978. Reconnaissons quand même que préparer un voyage interstellaire est un projet d’une ampleur qui dépasse largement celui qui a mené l’Humanité sur la Lune. Ce n’est pas seulement difficile, mais vraiment très très difficile car les distances à parcourir sont si colossales qu’un temps de voyage raisonnable n’est envisageable que si les vitesses de vol sont bien plus grandes que celles dont nous sommes capables aujourd’hui. Mon propos sera de vous faire toucher du doigt les immenses difficultés qui, pour l’instant, nous barrent la route des étoiles tout en examinant d’un peu plus près les trois grandes classes de propulsion envisagées jusqu’à présent.

Il faut aller loin, puis encore plus loin

Pour mieux se rendre compte de l’immensité des distances à parcourir pour naviguer d’une étoile à une autre, réduisons le Soleil, dont le diamètre est de 1,4 million de kilomètres, à la taille d’une bille d’un centimètre de diamètre. À cette échelle, la Terre ne fait plus qu’un dixième de millimètre, la taille du point d’imprimerie qui clôt cette phrase. En tournant autour du Soleil elle parcourt une orbite dont le rayon, voisin de 150 millions de kilomètres à notre échelle, est à peine supérieur à un mètre. Elle s’y déplace à la vitesse de 0,2 millionième de mètre par seconde : une distance égale au diamètre d’un cheveu est franchie en 4 minutes ! L’orbite de Pluton (qui, je le rappelle à ceux qui n’auraient pas suivie l’actualité astronomique récente, n’est plus une planète !), que l’on peut considérer comme la limite du système solaire, se situe alors à 42 mètres de notre Soleil-bille ce qui signifie que si notre système solaire était de la taille d’un terrain de football dont le Soleil serait le centre, Pluton orbiterait au niveau des cages de but tandis que toutes les planètes jusqu’à Jupiter serait contenues dans le rond central, Saturne n’en sortant que légèrement. Cette représentation donne déjà une idée des vastes distances qui séparent les planètes du système solaire. Les étoiles sont situées à des distances encore bien supérieures : à l’échelle du terrain de football, l’étoile la plus proche, qui se nomme Proxima de la constellation du Centaure, est située à 292 kilomètres… Bienvenue dans les immensités interstellaires !

Pour exprimer de telle distances, il faut utiliser des unités adaptées. La première qui tombe sous le sens porte le nom d’unité astronomique (abrégé en UA) : il s’agit de la distance moyenne qui sépare la Terre du Soleil. Le système solaire fait environ 80 UA de diamètre et Proxima du Centaure en est distante de 273 000 UA. Franchir une telle immensité à la vitesse des sondes interplanétaires n’est pas une mince affaire. Par exemple, les sondes Pioneer et Voyager, lancées dans les années 1970, se déplacent actuellement à des vitesses voisines de 14 kilomètres par seconde, soit 3 UA par an. À ce rythme-là, elles atteindraient Proxima en à peu près 90 000 ans ! Ces vitesses sont insignifiantes comparées à celle de la lumière qui, dans le vide, franchit 300 000 kilomètres en une seconde. Cette vitesse sert d’ailleurs à définir l’année-lumière, une unité de distance mieux adaptée que l’unité astronomique aux échelles interstellaire. L’année-lumière se définit fort simplement : il s’agit de la distance parcourue par la lumière en un an, soit environ 9 460 milliards de kilomètres ou 63 500 UA… Comme Proxima du Centaure est située à 4,3 années-lumière, sa lumière met 4,3 ans pour nous parvenir. Un vaisseau se déplaçant 10 fois moins vite que la lumière mettrait donc 10 fois plus de temps pour franchir cette distance, soit 43 ans. Nos sondes les plus rapides ont atteint, au mieux et grâce à l’assistance gravitationnelle des planètes géantes, des vitesses proches de 30 kilomètre par seconde, environ 0,01 % de la vitesse de la lumière. Même avec cette vitesse record, il faudrait 43 000 ans pour atteindre Proxima. Comme quoi, nous avons encore du pain sur la planche avant de pouvoir faire du tourisme interstellaire.

Propulsion, propulsion et propulsion

La vitesse de propulsion semble incontestablement être le problème majeur du voyage interstellaire. Comment faire pour aller vite ? Toutes les méthodes actuelles sont basées sur le principe de l’action et de la réaction, énoncé par Newton il y a plus de trois siècles dans son livre Philosophiae naturalis principia mathematica. Ce principe stipule que lorsqu’un corps A exerce une force sur un corps B, le corps B exerce sur A une force égale en intensité et opposée en direction. Ainsi volent les avions à réactions et les fusées qui, éjectant du gaz à grande vitesse, subissent en retour une force qui les accélère vers l’avant. On peut montrer que l’accélération produite durant la phase de propulsion est proportionnelle au produit de la vitesse d’éjection des gaz relativement au vaisseau par le débit de masse éjectée. Cette relation indique donc que pour accélérer fortement il faut éjecter beaucoup de matière à une vitesse aussi élevée que possible. Vous comprenez alors pourquoi, pour faire avancer une barque, mieux vaut ramer plutôt que d’expirer de l’air de vos poumons pour imiter un avion à réaction : la vitesse de votre souffle et la quantité d’air éjectée sont tout à fait insuffisantes pour produire une accélération sensible.

N’oublions pas que notre but est d’atteindre une vitesse élevée. Il est intéressant de constater que la vitesse terminale d’une fusée ne dépend que de deux paramètres : la vitesse d’éjection des gaz et le rapport entre la masse totale de la fusée au décollage et sa masse finale, dite aussi charge utile atteinte une fois la phase de propulsion terminée. Plus ces deux quantités sont élevées, plus la vitesse de la fusée sera grande mais elles n’interviennent pas de la même façon. Ainsi, on peut calculer que pour que la fusée atteigne une vitesse double de la vitesse d’éjection des gaz elle doit embarquer 6 kilogrammes de carburant pour chaque kilogramme de charge utile, tandis que doubler encore la vitesse finale nécessite de disposer de 55 kilogrammes de carburant par kilogramme de charge utile. La raison de cette augmentation exponentielle résulte d’un cercle vicieux : pour aller plus vite, la fusée embarque plus de carburant, mais chaque kilogramme supplémentaire nécessite d’emporter le carburant nécessaire à son accélération, et ainsi de suite. Voilà qui explique pourquoi les fusées actuelles ne sont que d’immenses réservoirs surplombés par un habitacle tout à fait réduit : comme la vitesse d’éjection des gaz de nos fusées est plutôt limitée (de l’ordre de 5 à 8 kilomètres par seconde) il faut des quantités impressionnantes de carburant pour espérer atteindre des vitesses importantes. Pensez qu’une fusée dont la charge utile ne serait que d’un seul atome d’hydrogène et dont la propulsion serait assurée par toute la masse contenue dans l’univers observable éjectée à 10 kilomètre par seconde (ce qui est un peu mieux que les fusées actuelles) atteindra une vitesse finale qui ne vaudra que 1 800 kilomètres par seconde ! Ainsi, la tentative naïve d’embarquer une grande quantité de carburant, de faire une grosse fusée avec un gros réservoir, se heurte à une grave difficulté d’approvisionement. Bien sûr, il est toujours possible de ruser un peu en construisant des fusées à plusieurs étages. Se débarrasser d’une partie de la masse à différentes étapes du vol permet d’atteindre des vitesses plus élevées car il reste moins de masse à accélérer par les propulseurs des étages successifs. N’empêche, une fusée classique restera un énorme réservoir volant avec une charge utile ridicule.

Pour augmenter la vitesse finale de notre fusée il est donc plutôt tentant d’augmenter la vitesse d’éjection des gaz. Tous les systèmes classiques sont fondés sur une réaction de combustion chimique dont l’énergie dégagée chauffe fortement les produits de la réaction qui sont éjectés vers l’arrière par les tuyères. Ce procédé, pour répandu qu’il soit, est ridiculement peu efficace. Pensez que la combustion hydrogène-oxygène utilisée pour la navette spatiale, a un rendement d’environ un cent millionième de pour-cent qui permet d’atteindre des vitesses d’éjection de l’ordre de quelques kilomètres par seconde. L’utilisation d’une source nucléaire (fission ou fusion des éléments) dégagerait plus d’énergie et serait beaucoup plus efficaces : elle permettrait d’atteindre une vitesse d’éjection de quelques pour-cent de la vitesse de la lumière (la fission à un rendement d’environ 0,07 % alors que pour la fusion il vaut près de 0,4 %). Mais on peut encore faire mieux grâce à l’antimatière. Voyons de quoi il retourne.

Le moteur à antimatière

En physique, il existe une dualité profonde, conséquence conjointe de la relativité einsteinienne et de la théorie quantique, qui met en regard deux formes de matière, la matière ordinaire et l’antimatière. Ainsi chaque particule possède une antiparticule, de même masse qu’elle mais portant une charge électrique opposée. La rencontre entre matière et antimatière se solde systématiquement par une annihilation qui manifeste de la façon la plus spectaculaire qui soit la conversion totale de masse en énergie. La récupération de cette énergie permet de propulser une fusée de façon plutôt efficace.

Considérons par exemple l’annihilation d’un proton et d’un antiproton. Cette réaction produit d’abord des particules appelées pions qui peuvent ou non avoir une charge électrique. Le pion neutre, sans charge électrique, se désintègre instantanément en deux photons gammas, de haute énergie, émis dans des directions opposées. Pour produire une poussée il faut canaliser ces photons, avec des miroirs par exemple. La difficulté réside dans le fait que la grande énergie de la lumière gamma la rend très pénétrante, bien plus que les rayons X, et donc quasiment impossible à réfléchir. Leur énergie est donc perdue pour la propulsion. Les pions chargés électriquement se désintègrent eux aussi en photons gammas mais en un temps beaucoup plus long, de l’ordre de 2,2 millionièmes de seconde. Cela laisse la possibilité de les focaliser, avant qu’ils ne se désintègrent, grâce à un champ magnétique afin de fournir la force propulsive. Leur vitesse d’éjection est très proche de la vitesse de la lumière mais comme la masse éjectée est très faible la poussée résultante n’est pas forcément énorme.

L’énergie d’annihilation peut être utilisée plus efficacement en s’en servant pour chauffer et éjecter un fluide qui servira de propulseur. Des études ont montré que l’efficacité de ce transfert d’énergie pourrait être de l’ordre de 50 %. L’analyse de la propulsion par antimatière révèle aussi qu’un rapport entre la masse du fluide propulseur et la masse de la charge utile vaisseau égal à environ 4 minimise la quantité d’antimatière à emporter. De plus, le rapport entre la masse d’antimatière à emporter et la masse du vaisseau est égale au carré du rapport entre la vitesse finale du vaisseau et la vitesse de la lumière. Plus concrètement 10 kg d’antimatière et quatre tonnes de fluide propulseur suffisent à propulser un tout petit vaisseau d’une tonne à un dixième de la vitesse de la lumière. Pour construire un vaisseau plus lourd il va donc certainement falloir se procurer plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de kilogrammes d’antimatière.

Avant de pouvoir utiliser de l’antimatière dans notre vaisseau, il faut commencer par la produire. Cette obligation résulte du fait que l’antimatière n’est pas présente à l’état naturel puisqu’elle s’annihile instantanément avec la matière environnante ! Indépendamment des nombreux problèmes techniques qui se posent, produire des kilogrammes d’antimatière par an nécessiterait de disposer d’une puissance de l’ordre de 100 TW (1 TW = 1 téraWatt = 1 000 milliards de Watt), 6 fois supérieure à la production électrique mondiale actuelle… Cette énergie énorme est pourtant ridicule comparée à celle produite par le Soleil : à la distance de la Terre un collecteur carré de 270 kilomètres de côté intercepte 100 TW d’énergie solaire (ce qui ne tient pas compte de la faible efficacité de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique qui imposerait un collecteur plus grand ou de le placer plus proche du Soleil). On l’a donc compris, la maîtrise de la propulsion par antimatière passe par la maîtrise de gigantesque quantité d’énergie, et sans doute par la capacité à capter une fraction appréciable de l’énergie rayonnée par le Soleil.

Une fois l’énergie disponible comment produire cette masse d’antimatière ? Par collisions de particules rapides, comme celles que les physiciens provoquent dans les grands accélérateurs pour étudier la structure ultime de la matière. Si l’on ne considère que le problème de la production des antiprotons, le grand accélérateur de particules du CERN fut capable de produire mille milliards d’antiprotons par jour. Cela semble énorme mais ne représente que 0,6 milliardième de gramme par an ! Et la production n’est pas tout. Il faut aussi pouvoir stocker l’antimatière de façon sûre. Une façon de procéder consisterait à combiner des antiprotons et des positons (ou anti-électrons) pour faire des atomes d’anti-hydrogène, qui à leur tour pourraient former des molécules de di-anti-hydrogène condensable sous forme solide, à très basse température. Il suffirait de réchauffer les stocks pour pouvoir s’en servir. Inutile de dire que la réalisation pratique est loin d’être facile. Le CERN a produit 50 000 atomes d’anti-hydrogène en tout et pour tout ce qui, à l’époque, fut jugé comme une performance remarquable. Au final, si la production « industrielle » d’antiprotons a bien été envisagée, l’état actuel de la technologie ne permettrait pas d’en produire plus de quelques milligrammes par an. Voilà qui n’est pas franchement satisfaisant pour monter notre mission interstellaire…

Un vent de lumière

Nous l’avons vue au début de ce chapitre, l’une des difficultés du voyage interstellaire est liée au fait que le vaisseau doit transporter le carburant dont il aura besoin pour sa propulsion. Peut-on envisager de se déplacer dans l’espace sans carburant ? Oui ! Il suffit pour cela d’utiliser la pression très faible qu’exerce la lumière sur un miroir. De très grandes et très légères voiles parfaitement réfléchissantes peuvent, en principe, servir à propulser un vaisseau interplanétaire en tirant parti de la pression exercée par la lumière solaire (voir à ce propos la nouvelle d’Arthur C. Clarke intitulée Le vent du Soleil qui décrit parfaitement ce mode de propulsion, contrairement au livre Le Papillon des étoiles où B. Werber reprend aussi cette idée, mais de façon si mal informée qu’elle en devient risible). Malheureusement la pression en question est vraiment très faible : à la distance de la Terre, la pression du rayonnement solaire correspond au poids d’une masse d’un kilogramme répartie sur un kilomètre carré ! L’effet est environ 1 million de fois moins intense qu’une petite brise dans une voile de bateau. En revanche, cette pression s’exerce en permanence et permettrait, le temps aidant, d’atteindre quand même des vitesses appréciables. Il a ainsi été proposé, et malheureusement jamais réalisé, d’organiser une course de voiliers solaires entre la Terre et la Lune ! Comme la pression du rayonnement solaire diminue comme l’inverse du carré de la distance au Soleil, ce procédé ne pourrait être utile que dans le voisinage terrestre. Malgré tout, cette méthode a l’avantage de découpler le vaisseau et sa propulsion, et produit une accélération qui, bien que faible, reste constante et permanente.

Pour envisager sérieusement un vol interstellaire poussé par la lumière, il faut disposer d’un faisceau lumineux unidirectionnel puissant, comme celui que produit un laser. Par exemple, pour qu’un vaisseau de 450 tonnes atteignent l’étoile de Barnard, située à 5,9 années-lumière du Soleil, en 50 ans il faut lui imprimer une accélération constante de 0,045 m/s2 correspondant à une puissance de 3 TW émise continuellement par le laser. Bien sûr la puissance à fournir n’est pas le seul point à considérer. Il faut par exemple répartir la puissance incidente sur une voile suffisamment grande et parfaitement réfléchissante pour éviter qu’elle ne soit vaporisée. Du coup, pour que cette voile de grande surface pèse le moins lourd possible il faut que son épaisseur soit très faible, de l’ordre du millionième de mètre. Il faut aussi tenir compte de la divergence du faisceau lumineux, qui provoque une dilution de l’énergie lumineuse sur une surface d’autant plus grande que la distance est importante. Cet effet est fâcheux puisque, au fil de son voyage, la voile captera une fraction toujours plus faible de la lumière émise ce qui réduira l’efficacité du système. Pallier ce phénomène oblige à concevoir une source lumineuse de très grande ouverture, voire de focaliser le faisceau grâce à des lentilles géantes. Un calcul plus détaillé montre que pour envoyer un vaisseau de 450 tonnes vers Proxima du Centaure en 36 ans il faut l’équiper d’une voile de 147 kilomètres de diamètre soumise au flux lumineux d’un laser de 110 TW ayant une ouverture de 21 kilomètres. Du gâteau, quoi ! Notez qu’une fois de plus franchir des distances interstellaires nécessite de fournir une puissance considérable.

« L’aspirateur » interstellaire

Les vaisseaux à poussé lumineuse ont la particularité de subir une accélération constante. Accélérer continûment une fusée classique pendant une longue période est tout simplement irréaliste car cela imposerait d’embarquer une quantité irréaliste de carburant. Une autre façon d’éviter d’emporter son carburant consiste à se servir de la matière qui se trouve dans l’espace interstellaire ! Imaginez un vaisseau qui collecte son carburant en route, c’est-à-dire qui ramasse l’hydrogène interstellaire (l’élément le plus abondant dans l’univers) pour le consommer dans un moteur à fusion thermonucléaire. L’énergie dégagée par la réaction permettrait d’éjecter les produits de combustion à grand vitesse. L’idée est d’autant plus séduisante que plus le vaisseau va vite, plus il collectera d’hydrogène par unité de temps, accroissant d’autant la production d’énergie et permettant d’accélérer continuellement.

Tout cela semble trop beau pour être vrai. Il reste évidemment des problèmes très difficiles à résoudre. Par exemple, il faut collecter l’hydrogène dans un très grand volume car la densité de matière interstellaire est très faible, de l’ordre de quelques milliers d’atomes par centimètre cube (à comparer aux 30 milliards de milliards contenus dans le moindre centimètre cube d’air). D’où l’idée d’utiliser un piège magnétique de grande taille, peut-être aussi grand que la Terre, qui, pour fonctionner, suppose que l’hydrogène soit chargé électriquement. Comme dans le milieu interstellaire la majorité des atomes sont neutres il faut prévoir qu’un puissant faisceau laser ionise (c’est-à-dire arrache des électrons aux atomes) la matière en aval du vaisseau. Autre difficulté, aucun électroaimant actuel n’est capable de créer l’énorme champ magnétique capable de couvrir un volume de piégeage suffisant. Plus grave, la fusion de l’hydrogène est une réaction très lente et ne pourra très probablement pas alimenter efficacement un moteur de fusée. Il serait beaucoup plus efficace d’utiliser le deutérium, mais il est cent mille fois moins abondant que l’hydrogène ce qui accroît d’autant la difficulté de le collecter. Enfin, le combustible, collecté à une vitesse très élevée, doit être ralenti pour que sa vitesse soit nulle par rapport au vaisseau et qu’il puisse participer aux réactions nucléaires. Mais comment ralentir quelque chose sans soi-même subir une diminution de vitesse ? Il est donc fort probable que le vaisseau soit ralenti par la collecte du combustible. Certains mauvais esprits ont même affirmé que ce procédé serait même le meilleur moyen de freiner un vaisseau interstellaire !

Finalement, il semble assez clair que ni l’état actuel de la technologie ni la production énergétique mondiale ne sont suffisants pour permettre un vol interstellaire, même d’une sonde automatique relativement lente. Les objectifs à atteindre semblent si éloignés que le voyage interstellaire risque de tarder encore plusieurs centaines d’années. Il faudra pour cela disposer de si grandes quantités d’énergie qu’il faudra sans doute être d’abord capable de capter une fraction appréciable de l’énergie rayonnée par le Soleil. Par ailleurs, le voyage interstellaire ne viole aucune loi de la physique actuelle et ne requiert aucune physique que nous ne connaissions déjà. C’est une bonne nouvelle de savoir que, faute de pouvoir effectuer un vol interstellaire, il reste possible de le concevoir. Après tout, nous avons déjà la capacité de faire des voyages à très faible vitesse et il n’y a aucune raison de penser que les vitesses élevées resteront pour toujours hors de notre portée.

Enfin, et pour vous remonter le moral, faites confiance aux ressources de l’esprit humain pour trouver la ruse diabolique qui nous permettra de franchir les espaces interstellaires mais aussi pour écrire des histoires qui nous font rêver.

Bibliographie succincte

· The starflight handbook, E. Mallove et G. Matloff, Wiley Science Editions, 1989.

· Interstellar travel, I.A. Crawford, Quaterly Journal of the Royal Astronomical Society 31, 377-400, 1990.

· Voyages dans le futur, N. Prantzos, Le Pommier, 2010.

Image de une : détail de la couverture d'Alain Brion pour La paille dans l'oeil de Dieu.