En route vers UTOPIA

    Pour se déplacer, chacun à en mémoire, les exploits que se permet la science–fiction. Hélas, la réalité est bien différente. Pour se déplacer vers utopia, c'est difficile.

Soyons réaliste

    Les mathématiques et la physique nous imposent leurs lois. De ce fait, nous permettent d’être présents sur la Terre , d’aller dans l’espace et de parcourir le Système solaire.

    Ainsi, pour quitter la Terre avec une fusée, seul le respect du rapport entre la masse de la fusée, donc de sa puissance et celle de la charge à emporter, permet d’obtenir le résultat escompté.

    Il ne faut pas oublier que la gravité est une force qu’il faut vaincre pour s’évader d’ un corps céleste. Cette force sera d’autant plus importante que celle du corps sera élevée.

wpe16.jpg (2732 octets)

Ms = masse au sol
Mo =
masse en orbite
V=
vitesse de satellisation
VG  =
vitesse d'éjection des gaz

    Ainsi, pour une satellisation autour de la Terre, une vitesse de 8 km/s est requise, et cela impose un rapport de 25 entre la masse de la fusée et celle à satelliser, pour une vitesse d’éjection des gaz de 2,5 km/s. Pour l'hydrogène cette vitesse d'éjection passe à 4 km/s.

   La vitesse de libération du domaine terrestre pour aller vers la Lune est de 11,3 km/s. Pour une vitesse de 16 km/s , nécessaire pour voyager dans le Système solaire, le rapport sera de 625, soit une fusée de 625 tonnes pour une charge en orbite de 1 tonne.

   Si nous voulions aller visiter Pluton en 2 ans, il faudrait une vitesse de 100 km/s et un rapport de masse de 3.1017 .

  Ce qui signifie, que pour une sonde de 3 grammes, il faudrait une fusée dont la masse serait de 100 milliards de tonnes. Et, il faudrait 4,7 millions d’années pour atteindre notre plus proche voisine, Proxima du Centaure, qui est à seulement 4,5 années-lumière.

   A 160km/s nous ne pouvons qu’ envoyer une plume, en 3 millions d’années, vers Proxima du Centaure, avec une fusée dont la masse aura presque le poids de la Terre (  1.1024 kg ) .

   Abandonnons la chimie et intéressons nous à l’énergie nucléaire, celle qui est la plus courante dans l’univers.

    Soit un moteur fusée qui éjecterait des particules à la vitesse de 10 000 km/s. Pour alimenter un tel moteur, de manière à lui faire créer une poussée de 1 tonne, nous devrons dépenser 1 gramme de combustible par seconde, soit une puissance de 10 000 MW ou plusieurs centrales nucléaires, qu’il faudra, bien sûr, faire tenir dans une valise.

F(poussée en Newtons) = V (ms-1) x Q

  •  
  • Q = masse de la matière propulsive par seconde.

    Avec cette poussée de 1 tonne, on est tout juste capable de communiquer à une fusée de 100 tonnes, une accélération de 0,01 g ( 1g = 9,81 ms-2 ):

g = F(poussée)/M(masse)

  Autrement dit, sa vitesse n’augmentera que de 0,1 ms-2  soit 8,64 km/s par jour (9,81 X 0,01 X 86 400 ) et cela au prix d’une consommation quotidienne de 86,4 kg (86 400 X 1 gramme ) qui est la substance à éjecter.

   Ainsi, le moteur ne pourra être alimenté que pendant 1 000 jours, temps au bout duquel la vitesse ne sera que de 8 640 km/s.

   A cette vitesse, il faudra des siècles pour atteindre Proxima du Centaure à supposer résolu les problèmes d’encombrement des centrales nucléaires dans une petite valise, ainsi que les problèmes de promiscuité dans un volume réduit, pour des durées extrêmement longues

   Pour une vitesse de 100 000 km/s ( 1/3 de la vitesse de la lumière) et il faudrait 1000 centrales nucléaires et 13 ans pour atteindre la 1ère étoile, à condition que l’on puisse freiner à temps. Et n’oublions pas que le freinage demande du temps et de l’énergie.

   Pour terminer faisons preuve de réalisme. Pour une vitesse proche de 90% de celle de la lumière, il faut une énergie de 2.1015 joules. A 99%, il en faut 100 fois plus et à 99,9%, ce sera 1000 fois plus. Mais qu'est-ce que le joule ? C'est l'énergie nécessaire pour dissiper une puissance de 1 watt pendant une seconde.

Paradoxe des jumeaux de Langevin

  Un autre paramètre à ne pas négliger: le temps.

  Selon le paradoxe des jumeaux de Langevin qui est liée à la relativité restreinte, à la vitesse de la lumière, une année passée dans l'espace correspond à 100 années sur la Terre. Ainsi, pour aller et revenir de Proxima du Centaure à 300 000 km/s, qui est notre voisine immédiate, 10 années sont nécessaires. Or, au retour sur Terre, 1000 ans se seront écoulés. Notons que les passagers de la fusée ne ressentent rien d'anormal car ce sont tous les phénomènes physiques qui sont affectés et qui ralentissent en même temps (rythme cardiaque, montre, etc.) de sorte que les rapports temporels entre ces phénomènes restent inchangés. Mais l'effet de ralentissement du temps, quoique heurtant le bon sens, est bien réel. Si Jules Langevin, frère jumeau d'Auguste Langevin, se trouve dans une fusée, il subira un vieillissement moins rapide que son frère Auguste resté à Terre et se retrouvera donc plus jeune que lui. Cet effet relativiste apparaît dés que la vitesse de déplacement augmente. A 11 km/s l'effet est très faible (quelques secondes pour aller et revenir de la Lune). Mais à 1000 km/s cela ne devient plus négligeable. 

  Pour ceux qui doutent de ce fait, cela a été vérifié dans les accélérateurs de particules où ces dernières voient leur durée de vie augmentée lorsque la vitesse augmente et aussi avec des horloges atomiques mises dans des avions faisant le tour de la Terre. Comparées avec des horloges témoins restées au sol, un décalage de temps est observé. Il en fut de même pour les astronautes qui sont allés sur la Lune. Au retour, ils étaient plus jeunes de quelques secondes compte tenu des effets relativistes. Naturellement ceci est très faible, mais c'est en rapport avec la vitesse. Plus la vitesse s'accroît, plus l'effet relativiste augmente.

Voici un extrait du livre de Christian Magnan,
Professeur au Collège de France, Paris
Université de Montpellier II

La nature sans foi ni loi,
Éditions Belfond/Sciences (1988)

Et son site, d'où est extrait le calcul ci-dessous:
 http://www.dstu.univ-montp2.fr/GRAAL/perso/magnan/jumeaux.html

(c 2 - v 2) T 2 = c 2 F 2

   Cette relation signifie que le temps propre F dans la fusée est plus petit que le temps terrestre T, autrement dit que les horloges embarquées ralentissent. Le rapport entre les durées spatiales et les durées terrestres est le fameux facteur

F / T = [ 1 - (v2 / c2) ] ½

que l'on retrouve à tous les détours des formules de relativité restreinte.

    Pour v égal à c/ 2, la moitié de la vitesse de la lumière (vitesse irréalisable en pratique, car l'inertie s'accroît), le ralentissement est de 13% (qui correspond à un facteur F/T de 0,87). Pour v/c petit devant l'unité, le ralentissement relatif est égal à (1/ 2)(v/c)2, donc par exemple de l'ordre de 10-8 pour une vitesse v de l'ordre de 30 km/s (v/c de l'ordre de 10-4 ).

 

L'avenir 

   Les USA travaillent pour l'avenir. Un projet prévoit en 2010 une mission interstellaire IPM (Interstellar Precursor Mission). Pour voyager, il faut un but. Parallèlement la recherche d'exoplanètes de taille équivalente à la Terre fait partie des objectifs. C'est le programme Origins (projet Planet Finder) avec l'utilisation de télescopes. Ensuite la recherche de signature biologique. En même temps la recherche de matériaux nouveaux sera une des retombées de ces plans.

Recherches sur la propulsion

   Mais déjà, l'impasse des distances et du temps imposent d'autres voies. Aussi l'énergie de propulsion devient la grande priorité. Aujourd'hui on semble s'orienter vers 2 types énergies, pour l'instant inaccessibles: la fusion contrôlée et le recours à l'antimatière. Cela permettrait des missions interstellaires en moins de 40 ans. En effet ces 2 méthodes de propulsion offrent des énergies avec une impulsion spécifique (Isp) de l'ordre de 50 000 à 200 000 secondes. L'impulsion spécifique, c'est la durée de fonctionnement d'un moteur, exprimée en secondes, alimenté par 1 kg de carburant pour fournir 1 kg de poussée.

   D'autres études sont en cours. Mais il faut aussi développer les modèles mathématiques et les moyens de calcul. En effet il faut pouvoir optimiser le comportement des moteurs et en plus en milieu interstellaire. Les théories relativiste vont se faire sentir plus que dans la banlieue solaire. Maintenant il va falloir adapter la relativité générale à la propulsion.

   Un article de 1994 par M. Alcubierre (physicien et mathématicien italien) sur le "warp drive" a relancé le débat. Il s'agit d'un dispositif théorique permettant de franchir le mur de la lumière en courbant l'espace temps. D'où la nécessité de développer de nouvelles notions mathématiques pour éliminer les "voies de garage". Pour les spécialistes, les tenseurs étant critiqués, ils pourraient être remplacés par les holeurs (outils mathématiques). Ce qui explique que la nécessité d'un code de calcul universel .

  Dans le cadre du projet "Mission vers une étoile" (Mission to  a star) concernant les missions interstellaires à venir, la NASA a attribué 6 contrats de recherche, au travers du programme BPP (Breakthrough Propulsion Physics que nous pouvons traduire par: rupture avec la physique de propulsion): 
    1)  Confirmer une théorie (brevet de J. Woodward) basée sur la variation transitoire de la masse au repos, d'un corps accéléré.
   2)  Vérifier que la précession du moment magnétique (fréquence d'horloge) d'une particule chargée, varie près d'un potentiel électrostatique élevé. Cette expérience (H. Ringermacher) pourrait mettre en évidence un couplage entre le temps, la gravité et l'électromagnétisme.

  3)   Caractériser théoriquement et expérimentalement une nouvelle physique qui est en train de naître: la physique du vide. Ce vide nouveau est dynamique, d'une densité d'énergie considérable et susceptible d'être manipulé. Certaines surfaces, de par leur forme particulière (cavité), modifient à la fois la distribution des énergies dans le vide alentour, les fluctuations et les forces mécaniques associées. En contrôlant la dynamique du milieu, on pense contrôler l'inertie d'un mobile en stimulant des forces de locomotion sans éjecter de matière, pour franchir le "mur de la lumière". Jordan Maclay s'est engagé à construire des nanomoteurs fonctionnant par le seul fait qu'ils sont placés entre 2 régions de densité d'énergie différente.

  4)  Vérifier le projet Delta G (centre Marshall). Un supraconducteur en rotation dans un champ magnétique modifierait la gravité (expérience très controversée). Le but est de savoir si l'on peut modifier la gravitation.

   5)  Modéliser et détecter, par K. Malloy, dans des cristaux photoniques et monodimensionnels, que lorsqu'un photon se propage dans un milieu matériel, près de la fréquence de résonance du milieu, un signal peut circuler à vitesse "superluminique". Une application à ce phénomène semble se dessiner: accélération du temps d'accès aux données stockées dans des mémoires holographiques.

  6)  Déterminer si une matière exotique est nécessaire pour concevoir des dispositifs capables de raccourcir l'espace-temps. Une réponse négative serait la bienvenue par la communauté scientifique. Ce contrat a été notifié à Serguei Krasnikov d' Almonte Springs.
      On parle de réaliser certaines de ces expériences dans la future station internationale.

   La sonde M2P2 (Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion) n'échappe pas au principe de la NASA consistant à évaluer toutes les idées susceptibles de faire progresser la propulsion des engins futurs. Ils se confondent avec l BPP. Les enjeux sont importants et ne datent pas d'aujourd'hui. Les premiers articles datent de 1949. 

    Le Japon dispose d'une cellule de veille. Le propulseur électro-magnéto-gravitationnel russe sort des brumes depuis 1995.  Les Britanniques préparent le projet Greenglow. Ils veulent fédérer les volontés pour répondre aux défis américains. On le voit, l'Europe ne doit pas perdre de temps.

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Défi

  Le défi le plus important sera de convaincre les électeurs pour financer de tels projets. Aujourd'hui (2003), des études tous azimuts sont en cours avec notamment la propulsion ionique dont certains satellites ont déjà fait leur preuve avec Artémis de l'ESA, qui, pendant une année a réussi à atteindre son orbite à 36 000 km, alors qu'il fut largué sur une mauvaise orbite par Ariane et aussi la sonde cométaire Deep Space 1 ainsi que Smart 1 qui a atteint la Lune (nov 2004). Quant au nucléaire, il renaît de ses cendres. Des études très poussées sont en cours aux USA, en Europe et notamment en France, au Japon, en Russie et en Grande-Bretagne.

A suivre......

 

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