Comment imaginer d'énormes distances interstellaires. Les vols interstellaires: vérité ou mythe? Énergie et ressources
Pouvons-nous réellement atteindre des planètes inconnues en dehors du système solaire? Comment est-ce possible?
Les scientifiques et les cinéastes, bien sûr, sont formidables, ils ont fait du bon travail. Dans des histoires colorées, où une personne conquiert les recoins les plus éloignés de l'espace, on a vraiment envie de croire. Malheureusement, avant que cette image ne se réalise, nous devons surmonter de nombreuses limitations. Par exemple, les lois de la physique telles que nous les voyons maintenant.
Mais! Ces dernières années, plusieurs organisations bénévoles et financées par des fonds privés ont vu le jour (la Fondation Tau Zero, le projet Icarus, le projet Breakthrough Starshot), dont chacune vise à créer un transport pour les vols interstellaires et à rapprocher l'humanité de la conquête de l'univers. Leur espoir et leur croyance en la réussite sont renforcés par des nouvelles positives, par exemple, en orbite autour de l'étoile Proxima-Centauri d'une planète de la taille de la Terre.
La création d'un vaisseau spatial interstellaire sera l'un des sujets de discussion au BBC Future World Summit «Des idées qui changent le monde» à Sydney en novembre. Les humains pourront-ils voyager vers d'autres galaxies? Et si oui, de quels types de vaisseaux spatiaux avons-nous besoin pour cela?
Où devrait-on aller?
Et où ne devriez-vous pas voler? Il y a plus d'étoiles dans l'Univers qu'il n'y a de grains de sable sur Terre - environ 70 sextillions (c'est 22 zéros après sept) - et, selon les scientifiques, des milliards d'entre elles sont sur des orbites d'une à trois planètes dans la soi-disant «zone Boucle d'or»: elles ne le sont pas trop. froid et pas trop chaud. Juste à droite .
Depuis le tout début et jusqu'à maintenant, le meilleur candidat pour le premier vol interstellaire a été notre voisin le plus proche - le triple système d'étoiles Alpha Centauri. Il se trouve à 4,37 années-lumière de la Terre. Cette année, les astronomes de l'Observatoire européen austral ont découvert une planète de la taille de la Terre en orbite autour de la naine rouge Proxima Centauri de cette constellation. La planète, appelée Proxima b, est au moins 1,3 fois celle de la Terre, et a une période orbitale très courte autour de son étoile - seulement 11 jours terrestres. Mais tout de même, cette nouvelle a extrêmement excité les astronomes et les chasseurs d'exoplanètes, car régime de température Proxima b convient à l'existence d'eau liquide, ce qui constitue un sérieux atout pour l'habitabilité possible.
Mais il y a des inconvénients: nous ne savons pas si Proxima b a une atmosphère, et étant donné sa proximité avec Proxima Centauri (plus proche que Mercure du Soleil), il est susceptible d'être affecté par le plasma stellaire et le rayonnement. Et il est tellement enfermé par les forces de marée qu'il fait toujours face à l'étoile d'un côté. Ceci, bien sûr, peut complètement changer notre compréhension du jour et de la nuit.
Et comment y arriver?
C'est la question à 64 billions de dollars. Même à la vitesse maximale que la technologie moderne nous permet de développer, nous avons 18 mille ans avant Proxima B. Et il y a une forte probabilité qu'en atteignant le but, nous y rencontrerons ... nos descendants sur Terre, qui ont déjà colonisé la nouvelle planète et ont pris toute la gloire pour eux-mêmes. Par conséquent, les esprits profonds et les poches sans fond se fixent une tâche ambitieuse: trouver plus manière rapide traverser d'énormes distances.
Breakthrough Starshot est un projet spatial de 100 millions de dollars financé par le milliardaire russe Yuri Milner. La percée Starshot s'est concentrée sur la création de minuscules sondes sans pilote avec des voiles légères, alimentées par un puissant laser au sol. L'idée est qu'un vaisseau spatial d'un poids assez léger (à peine 1 gramme) avec une voile légère peut être régulièrement accéléré par un puissant faisceau lumineux de la Terre à environ un cinquième de la vitesse de la lumière. À ce rythme, les nanosondes atteindront Alpha Centauri dans environ 20 ans.
Les développeurs du projet Breakthrough Starshot comptent sur la miniaturisation de toutes les technologies, car la minuscule sonde spatiale doit transporter une caméra, des propulseurs, une alimentation électrique, des équipements de communication et de navigation. Le tout pour informer à l'arrivée: «Regarde, je suis là. Et ça ne tourne pas du tout. " Miller espère que cela fonctionnera et préparera le terrain pour la prochaine phase plus difficile du voyage interstellaire: le voyage humain.
Qu'en est-il des lecteurs Warp?
Oui, dans la série Star Trek, tout semble très simple: allumé le lecteur de chaîne et volait plus vite que la vitesse de la lumière. Mais tout ce que nous savons actuellement sur les lois de la physique nous dit que voyager plus vite que la vitesse de la lumière, voire égale à celle-ci, est impossible. Mais les scientifiques n'abandonnent pas: la NASA s'est inspirée d'un autre moteur passionnant de la science-fiction et a lancé le NASA Evolutionary Xenon Thruster (en abrégé NEXT) - un moteur ionique qui peut accélérer les vaisseaux spatiaux à une vitesse de 145000 km / h en utilisant seulement une fraction de carburant pour une fusée conventionnelle.
Mais même à de telles vitesses, nous ne pourrons pas voler loin du système solaire dans une vie humaine. Jusqu'à ce que nous trouvions comment travailler avec l'espace-temps, le voyage interstellaire sera très, très lent. Il est peut-être temps de commencer à percevoir le temps que les pèlerins galactiques passeront à bord d'un engin interstellaire comme une simple vie, et non comme un voyage en «bus spatial» du point A au point B.
Comment survivrons-nous aux voyages interstellaires?
Les entraînements de distorsion et les moteurs ioniques sont froids, bien sûr, mais tout cela sera de peu d'utilité si nos pèlerins interstellaires meurent de faim, de froid, de déshydratation ou de manque d'oxygène avant de quitter le système solaire. La chercheuse Rachel Armstrong soutient qu'il est temps pour nous de réfléchir à la création d'un véritable écosystème pour l'humanité interstellaire.
«Nous passons d'une vision industrielle à une vision écologique de la réalité», déclare Armstrong.
Armstrong, professeur d'architecture expérimentale à l'Université de Newcastle au Royaume-Uni, parle du monde: "Il s'agit de l'espace de vie, pas seulement de la conception d'objets." Aujourd'hui, tout à l'intérieur d'un vaisseau spatial ou d'une station est stérile et ressemble à une installation industrielle. Armstrong pense que nous devrions plutôt penser à la dimension environnementale des vaisseaux spatiaux: les plantes que nous pouvons cultiver à bord et même les types de sol que nous emportons avec nous. À l'avenir, suggère-t-elle, les vaisseaux spatiaux ressembleront à des biomes géants pleins de vie organique, plutôt qu'aux boîtes métalliques froides d'aujourd'hui.
Ne pouvons-nous pas simplement dormir tout le temps?
Cryosleep et hibernation sont, bien sûr bonne décision un problème plutôt désagréable: comment garder les gens en vie pendant un voyage qui dure beaucoup plus longtemps que la vie humaine elle-même. Au moins, ils le font dans les films. Et le monde regorge de cryo-optimistes: la Fondation Alcor Life Extension conserve de nombreux corps en conserve et des têtes de personnes qui espèrent que nos descendants apprendront à décongeler les gens en toute sécurité et à se débarrasser de maladies incurables, mais actuellement, de telles technologies n'existent pas.
Dans des films comme Interstellar et des livres comme Seveneves de Neil Stevenson, l'idée est d'envoyer des embryons congelés dans l'espace qui peuvent survivre même au plus long vol parce qu'ils n'ont pas besoin de manger, de boire ou de respirer. Mais cela pose le problème de la poule et de l'œuf: quelqu'un doit s'occuper de cette humanité naissante à un âge irresponsable.
Alors, tout cela est-il réel?
«Depuis le tout début de l'humanité, nous avons regardé les étoiles et leur avons tourné nos espoirs et nos peurs, nos inquiétudes et nos rêves», déclare Rachel Armstrong.
Avec le lancement de nouveaux projets d'ingénierie tels que Breakthrough Starshot, «le rêve devient une véritable expérience».
Notre lecteur Nikita Ageev demande: quel est le problème principal du voyage interstellaire? La réponse nécessitera également un long article, bien que la question puisse être répondue avec un seul symbole: c .
La vitesse de la lumière dans le vide, c, est d'environ trois cent mille kilomètres par seconde et ne peut être dépassée. Par conséquent, il est impossible d'atteindre les étoiles plus rapidement que dans quelques années (la lumière voyage 4,243 ans jusqu'à Proxima Centauri, le vaisseau spatial ne peut donc pas arriver encore plus vite). Si l'on ajoute le temps d'accélération et de décélération avec une accélération plus ou moins acceptable pour une personne, on obtient alors une dizaine d'années jusqu'à l'étoile la plus proche.
Dans quelles conditions devez-vous voler?
Et cette période est déjà un obstacle important en soi, même si l'on ignore la question de «comment accélérer à une vitesse proche de la vitesse de la lumière». Désormais, aucun vaisseau spatial ne permettrait à l'équipage de vivre de manière autonome dans l'espace pendant si longtemps - les astronautes apportent constamment de nouvelles fournitures de la Terre. Habituellement, une conversation sur les problèmes du voyage interstellaire commence par des questions plus fondamentales, mais nous commencerons par des problèmes purement appliqués.
Même un demi-siècle après le vol de Gagarine, les ingénieurs étaient incapables de créer une machine à laver et une douche suffisamment pratique pour les vaisseaux spatiaux, et des toilettes conçues pour des conditions d'apesanteur tombent en panne sur l'ISS avec une régularité enviable. Un vol vers au moins Mars (22 minutes-lumière au lieu de 4 années-lumière) pose déjà une tâche non triviale pour les concepteurs de plomberie: donc pour voyager vers les étoiles, il vous faudra au moins inventer une toilette spatiale avec une garantie de vingt ans et le même machine à laver.
L'eau pour laver, laver et boire devra également être emportée avec vous ou réutilisée. L'air et la nourriture doivent également être stockés ou cultivés à bord. Des expériences pour créer un écosystème fermé sur Terre ont déjà été menées, mais leurs conditions étaient encore très différentes de celles cosmiques, du moins en présence de gravité. L'humanité sait comment transformer le contenu d'un pot de chambre en un pot propre boire de l'eau, mais dans ce cas, vous devez pouvoir le faire en apesanteur, avec une fiabilité absolue et sans camion provisions: Emmener un camion de cartouches filtrantes vers les étoiles est trop cher.
Le lavage des chaussettes et la protection contre les infections intestinales peuvent sembler des restrictions trop insignifiantes et «non physiques» sur les voyages interstellaires - cependant, tout voyageur chevronné attestera que de «petites choses» comme des chaussures inconfortables ou des maux d'estomac causés par des aliments inconnus lors d'une expédition autonome peuvent mettre la vie en danger.
La solution de problèmes quotidiens, même élémentaires, nécessite la même base technologique sérieuse que le développement de moteurs spatiaux fondamentalement nouveaux. Si sur Terre un joint usé dans une citerne de toilettes peut être acheté dans le magasin le plus proche pour deux roubles, alors déjà sur un navire martien, vous devez fournir soit un approvisionnement. de tout des pièces similaires, ou une imprimante 3D pour la production de pièces détachées à partir de matières premières plastiques universelles.
Dans l'US Navy en 2013 pour de bonengagé dans l'impression 3D après avoir estimé le temps et l'argent consacrés à la réparation du matériel militaire à l'aide de méthodes traditionnelles sur le terrain. L'armée a décidé qu'il était plus facile d'imprimer un joint rare pour un assemblage d'hélicoptère qui avait été abandonné il y a dix ans que de commander une pièce dans un entrepôt sur un autre continent.
L'un des plus proches associés de Korolev, Boris Chertok, a écrit dans ses mémoires «Rockets and People» qu'à un moment donné le programme spatial soviétique faisait face à une pénurie de contacts. Des connecteurs fiables pour les câbles multiconducteurs devaient être développés séparément.
En plus des pièces de rechange pour l'équipement, la nourriture, l'eau et l'air, les astronautes auront besoin d'énergie. Le moteur et l'équipement embarqué auront besoin d'énergie, de sorte que le problème d'une source d'énergie puissante et fiable devra être résolu séparément. Les batteries solaires ne conviennent pas, ne serait-ce qu'en raison de la distance des étoiles en vol, les générateurs de radio-isotopes (ils alimentent les Voyagers et New Horizons) ne fournissent pas l'énergie nécessaire à un grand vaisseau spatial habité, et ils n'ont toujours pas appris à fabriquer des réacteurs nucléaires à part entière pour l'espace.
Le programme soviétique de création de satellites avec une centrale nucléaire a été éclipsé par un scandale international après la chute de l'appareil Kosmos-954 au Canada, ainsi que par un certain nombre de pannes aux conséquences moins dramatiques; un travail similaire aux États-Unis s'est arrêté encore plus tôt. Maintenant, Rosatom et Roskosmos ont l'intention de créer une centrale nucléaire spatiale, mais ce sont toujours des installations pour des vols courts, et non un voyage à long terme vers un autre système stellaire.
Peut-être qu'au lieu d'un réacteur nucléaire, des tokamaks seront-ils utilisés dans les futurs navires interstellaires. À quel point il est difficile de déterminer au moins correctement les paramètres d'un plasma thermonucléaire, au MIPT cet été. D'ailleurs, le projet ITER sur Terre progresse avec succès: même ceux qui sont entrés en première année, ont aujourd'hui toutes les chances de rejoindre les travaux du premier réacteur thermonucléaire expérimental à bilan énergétique positif.
Sur quoi voler?
Les moteurs de fusée conventionnels ne conviennent pas pour accélérer et décélérer un navire interstellaire. Ceux qui connaissent le cours de mécanique, qui sont dispensés au MIPT au premier semestre, peuvent calculer indépendamment la quantité de carburant dont une fusée aura besoin pour gagner au moins cent mille kilomètres par seconde. Pour ceux qui ne sont pas encore familiarisés avec l'équation de Tsiolkovsky, nous annoncerons immédiatement le résultat - la masse des réservoirs de carburant s'avère être nettement supérieure à la masse du système solaire.
L'alimentation en carburant peut être réduite en augmentant la vitesse à laquelle le moteur éjecte le fluide de travail, gaz, plasma ou autre, jusqu'à un faisceau de particules élémentaires. À l'heure actuelle, les moteurs à plasma et ionique sont activement utilisés pour les vols de stations interplanétaires automatiques dans le système solaire ou pour corriger l'orbite des satellites géostationnaires, mais ils présentent un certain nombre d'autres inconvénients. En particulier, tous ces moteurs donnent trop peu de poussée, ils ne peuvent pas encore donner au navire une accélération de plusieurs mètres par seconde au carré.
Oleg Gorshkov, vice-recteur du MIPT, est l'un des experts reconnus dans le domaine des moteurs à plasma. Les moteurs de la série SPD sont produits au Fakel Design Bureau; ce sont des produits en série pour corriger l'orbite des satellites de communication.
Dans les années 1950, un projet a été développé pour un moteur qui utiliserait l'impulsion d'une explosion nucléaire (le projet Orion), mais il est loin de devenir solution prête à l'emploi pour les vols interstellaires. La conception du moteur, qui utilise l'effet magnétohydrodynamique, c'est-à-dire accélère en raison de l'interaction avec le plasma interstellaire, est encore moins développée. En théorie, un vaisseau spatial pourrait «aspirer» le plasma vers l'intérieur et le renvoyer avec la création d'une poussée de jet, mais cela pose un autre problème.
Comment survivre?
Le plasma interstellaire est principalement constitué de protons et de noyaux d'hélium si l'on considère les particules lourdes. Lorsqu'elles se déplacent à des vitesses de l'ordre de centaines de milliers de kilomètres par seconde, toutes ces particules acquièrent de l'énergie en mégaélectronvolts ou même en dizaines de mégaélectronvolts - la même quantité que les produits des réactions nucléaires. La densité du milieu interstellaire est d'environ cent mille ions par mètre cube, ce qui signifie que par seconde un mètre carré de la peau du navire recevra environ 10 13 protons avec des énergies de dizaines de MeV.
Un électron volt, eV,― c'est l'énergie qu'un électron acquiert en volant d'une électrode à une autre avec une différence de potentiel d'un volt. Les quanta de lumière ont une telle énergie et les quanta ultraviolets avec une énergie plus élevée sont déjà capables d'endommager les molécules d'ADN. Des rayonnements ou des particules dont les énergies sont en mégaélectronvolts accompagnent les réactions nucléaires et sont de surcroît capables de les provoquer.
Une telle irradiation correspond à l'énergie absorbée (en supposant que toute l'énergie est absorbée par la peau) en dizaines de joules. De plus, cette énergie ne viendra pas seulement sous forme de chaleur, mais peut aller partiellement déclencher des réactions nucléaires dans le matériau du navire avec la formation d'isotopes à courte durée de vie: en d'autres termes, la peau deviendra radioactive.
Certains des protons incidents et des noyaux d'hélium peuvent être déviés par un champ magnétique, et une coquille complexe de nombreuses couches peut être protégée du rayonnement induit et du rayonnement secondaire, mais ces problèmes n'ont pas encore de solution. En outre, des difficultés fondamentales telles que "quel matériau sera le moins détruit pendant l'irradiation" au stade de l'entretien du vaisseau spatial en vol se transformeront en problèmes particuliers - "comment dévisser quatre boulons par 25 dans un compartiment avec un fond de cinquante millisieverts par heure."
Rappelons que lors de la dernière réparation du télescope Hubble, les astronautes ont d'abord échoué à dévisser les quatre boulons qui fixaient l'une des caméras. Après avoir consulté la Terre, ils ont remplacé la clé dynamométrique par une clé conventionnelle et ont appliqué la force brute. Les boulons ont bougé de leur place, la caméra a été remplacée avec succès. Si le boulon coincé avait été arraché, la deuxième expédition aurait coûté un demi-milliard de dollars américains. Ou ne serait pas arrivé du tout.
Existe-t-il des solutions de contournement?
Dans la science-fiction (souvent plus fantastique que la science-fiction), le voyage interstellaire se déroule à travers des «tunnels sous-spatiaux». Formellement, les équations d'Einstein, décrivant la géométrie de l'espace-temps en fonction de la masse et de l'énergie distribuées dans cet espace-temps, permettent vraiment quelque chose de similaire - seuls les coûts énergétiques estimés sont encore plus déprimants que les estimations de la quantité de carburant de fusée pour le vol vers Proxima Centauri. Non seulement il faut beaucoup d'énergie, mais aussi la densité d'énergie doit être négative.
La question de savoir s'il est possible de créer un «trou de ver» stable, large et énergétiquement possible est liée à des questions fondamentales sur la structure de l'Univers dans son ensemble. L'un des problèmes physiques non résolus est l'absence de gravité dans le soi-disant modèle standard - une théorie qui décrit le comportement des particules élémentaires et trois des quatre interactions physiques fondamentales. La grande majorité des physiciens sont plutôt sceptiques sur le fait que dans la théorie quantique de la gravité, il y a une place pour les "sauts dans l'hyperespace" interstellaires, mais, à proprement parler, personne n'interdit d'essayer de chercher une solution de contournement pour les vols vers les étoiles.
Le 12 avril 2016, le célèbre physicien britannique Stephen Hawking et l'homme d'affaires et philanthrope russe Yuri Milner ont annoncé l'allocation de 100 millions de dollars pour financer le projet Coup d'étoile révolutionnaire... Le but du projet était de développer des technologies pour créer des engins spatiaux capables d'effectuer un vol interstellaire vers Alpha du Centaure.
Des milliers de romans de science-fiction décrivent des vaisseaux spatiaux photoniques géants de la taille d'une petite (ou grande) ville, partant en vol interstellaire depuis l'orbite de notre planète (moins souvent depuis la surface de la Terre). Mais, tel que conçu par les auteurs du projet Coup d'étoile révolutionnaire, tout ne se passera pas du tout comme ça: un jour significatif deux mille d'une année à l'une des étoiles les plus proches, Alpha Centauri, pas un ou deux, mais des centaines et des milliers de petits vaisseaux de la taille d'un clou et d'une masse de 1 g commenceront à la fois Et chacun d'entre eux aura la voile solaire la plus fine avec une superficie de 16 m 2, qui transportera le vaisseau à une vitesse toujours croissante vers les étoiles.
"Tourné vers les étoiles"
La base du projet Coup d'étoile révolutionnaire est devenu un article de Philip Lubin, professeur de physique à l'Université de Californie à Santa Barbara, "A Plan for Interstellar Flight" ( Une feuille de route pour le vol interstellaire). Le principal objectif déclaré du projet est de rendre les vols interstellaires possibles pendant la durée de vie de la prochaine génération de personnes, c'est-à-dire non pas en siècles, mais en décennies.
Immédiatement après l'annonce officielle du programme Starshot les auteurs du projet ont reçu une vague de critiques de la part de scientifiques et de spécialistes techniques dans divers domaines. Les experts critiques ont noté de nombreuses évaluations incorrectes et simplement des «points blancs» en termes de programme. Certains commentaires ont été pris en compte et le plan de vol a été légèrement ajusté lors de la première itération.
Ainsi, la sonde interstellaire sera un voilier spatial avec un module électronique StarChip pesant 1 g, reliées par des élingues ultra-résistantes avec une voile solaire d'une superficie de 16 m 2, d'une épaisseur de 100 nm et d'une masse de 1 g. Bien sûr, la lumière de notre Soleil ne suffit pas pour accélérer même une structure aussi légère à des vitesses auxquelles le voyage interstellaire ne durera pas des millénaires. Par conséquent, le principal point fort du projet StarShot - Il s'agit d'une accélération utilisant un puissant rayonnement laser qui se concentre sur la voile. Selon les estimations de Lyubin, à une puissance de faisceau laser de 50 à 100 GW, l'accélération sera d'environ 30 000 g, et dans quelques minutes la sonde atteindra une vitesse de 20% de la lumière. Le vol vers Alpha Centauri durera environ 20 ans.
Questions sans réponse: une vague de critiques
Philip Lubin dans son article donne des estimations numériques des points du plan, cependant, de nombreux scientifiques et spécialistes sont très critiques à l'égard de ces données.
Bien sûr, pour élaborer un projet aussi ambitieux que Coup d'étoile révolutionnaire, cela prend des années de travail et 100 millions de dollars, ce n'est pas une somme si importante pour un travail de cette envergure. Cela est particulièrement vrai pour l'infrastructure au sol - un réseau phasé d'émetteurs laser. L'installation d'une telle capacité (50 à 100 GW) nécessitera une quantité d'énergie gigantesque, c'est-à-dire qu'au moins une douzaine de grandes centrales électriques devront être construites à proximité. De plus, une énorme quantité de chaleur devra être évacuée des émetteurs pendant plusieurs minutes, et la façon de procéder n'est toujours pas claire. Ces questions sans réponse dans le projet Coup d'étoile révolutionnaire un nombre énorme, mais jusqu'à présent, le travail ne fait que commencer.
«Le conseil scientifique de notre projet comprend des experts, des scientifiques et des ingénieurs de premier plan dans divers domaines pertinents, dont deux lauréats du prix Nobel», déclare Yuri Milner. - Et j'ai entendu des évaluations très équilibrées de la faisabilité de ce projet. Pour ce faire, nous nous appuyons certainement sur l'expertise combinée de tous les membres de notre conseil scientifique, mais en même temps, nous sommes ouverts à une discussion scientifique plus large. "
Sous les voiles des étoiles
L'un des détails clés du projet est la voile solaire. Dans la version originale, la surface de la voile n'était initialement que de 1 m 2, et de ce fait, elle ne pouvait pas résister à l'échauffement lors de l'accélération dans le champ de rayonnement laser. La nouvelle version utilise une voile d'une superficie de 16 m 2, donc le régime thermique sera plutôt sévère, mais, selon les estimations préliminaires, il ne devrait pas fondre ou détruire la voile. Comme l'écrit Philip Lubin lui-même, il est prévu d'utiliser non pas des revêtements métallisés comme base pour la voile, mais des miroirs multicouches entièrement diélectriques: «Ces matériaux se caractérisent par un coefficient de réflexion modéré et une absorption extrêmement faible. Par exemple, les verres optiques pour fibre optique sont conçus pour des flux lumineux élevés et ont une absorption d'environ vingt trillionièmes pour 1 micron d'épaisseur. Obtenir une bonne réflectivité à partir d'un diélectrique avec une épaisseur de voile de 100 nm, ce qui est beaucoup moins qu'une longueur d'onde, n'est pas facile. Mais les auteurs du projet espèrent utiliser de nouvelles approches, telles que les monocouches de métamatériau à indice de réfraction négatif.
Voile solaire
L'un des principaux éléments du projet est une voile solaire d'une superficie de 16 m 2 et d'une masse de seulement 1 g. Les miroirs diélectriques multicouches réfléchissant 99,999% de la lumière incidente sont considérés comme le matériau de la voile (selon les calculs préliminaires, cela devrait être suffisant pour que la voile ne fond pas dans un champ de rayonnement de 100 Laser GW). Une approche plus prometteuse, qui permet de rendre l'épaisseur de la voile inférieure à la longueur d'onde de la lumière réfléchie, consiste à utiliser une monocouche d'un métamatériau à indice de réfraction négatif comme base de la voile (ce matériau présente également une nano-perforation, ce qui réduit encore sa masse). La deuxième option consiste à utiliser un matériau non pas à réflectance élevée, mais à faible coefficient d'absorption (10 -9), tel que des matériaux optiques pour fibres optiques.
«De plus, vous devez tenir compte du fait que la réflexion des miroirs diélectriques est réglée sur une gamme étroite de longueurs d'onde, et à mesure que la sonde accélère, l'effet Doppler décale la longueur d'onde de plus de 20%», explique Lubin. - Nous avons pris cela en compte, de sorte que le réflecteur sera réglé sur une bande passante d'environ vingt pour cent. Nous avons conçu ces réflecteurs. Des réflecteurs de bande passante plus importants sont disponibles si nécessaire. »
Machine laser
Le système de propulsion principal du vaisseau ne volera pas vers les étoiles - il sera situé sur Terre. Il s'agit d'un réseau phasé au sol d'émetteurs laser d'une taille de 1 × 1 km. La puissance totale des lasers doit être comprise entre 50 et 100 GW (cela équivaut à la puissance de 10 à 20 centrales hydroélectriques de Krasnoïarsk). Il est censé focaliser un rayonnement d'une longueur d'onde de 1,06 μm de l'ensemble du réseau dans un point de plusieurs mètres de diamètre à des distances allant jusqu'à plusieurs millions de kilomètres (précision de focalisation maximale de 10-9 radians) en utilisant la mise en phase (c'est-à-dire en changeant les phases sur chaque émetteur individuel). Mais une telle focalisation est fortement gênée par l'atmosphère turbulente, qui brouille le faisceau en un point d'environ une seconde angulaire (10 -5 radians). Des améliorations de quatre ordres de grandeur devraient être réalisées à l'aide de l'optique adaptative (AO), qui compensera la distorsion atmosphérique. Les meilleurs systèmes d'optique adaptative des télescopes modernes réduisent le flou à 30 millisecondes angulaires, c'est-à-dire qu'il reste environ deux ordres de grandeur et demi par rapport à la cible visée. «Pour vaincre la turbulence atmosphérique à petite échelle, le réseau phasé doit être décomposé en très petits éléments, la taille de l'élément émetteur pour notre longueur d'onde ne doit pas dépasser 20-25 cm», explique Philip Lubin. - Cela fait au moins 20 millions d'émetteurs, mais ce nombre ne me fait pas peur. Pour retour d'information Dans le système AO, nous prévoyons d'utiliser de nombreuses sources de référence - des balises - à la fois sur la sonde, sur le vaisseau-mère et dans l'atmosphère. De plus, nous suivrons la sonde sur son chemin vers la cible. Nous souhaitons également utiliser les étoiles comme bouée pour ajuster le phasage du réseau lors de la réception d'un signal de la sonde à l'arrivée, mais par souci de fiabilité, nous suivrons la sonde. "
Arrivée
Mais la sonde est arrivée au système Alpha Centauri, a photographié les environs du système et la planète (le cas échéant). Ces informations doivent en quelque sorte être transmises à la Terre, et la puissance de l'émetteur laser de la sonde est limitée à des unités de watts. Et après cinq ans, ce signal faible doit être reçu sur Terre, séparant l'étoile du rayonnement de fond. Selon les auteurs du projet, la sonde manœuvre sur la cible de telle sorte que la voile se transforme en lentille de Fresnel, focalisant le signal de la sonde en direction de la Terre. On estime qu'un objectif parfait, avec une mise au point parfaite et une orientation idéale, amplifie un signal de 1 W à 10 13 W isotropiquement équivalent. Mais comment considérer ce signal dans le contexte d'un rayonnement beaucoup plus puissant (de 13 à 14 ordres de grandeur!) D'une étoile? «La lumière de l'étoile est en fait assez faible car la largeur de notre ligne laser est très petite. La ligne étroite est un facteur clé pour réduire le fond, dit Lubin. - L'idée de fabriquer une lentille de Fresnel à partir d'une voile basée sur un élément diffractif à couche mince est assez complexe et nécessite beaucoup de travail préalable afin de comprendre exactement comment faire au mieux. Ce point est en fait l'un des principaux points de notre plan de projet. "
Le vol interstellaire n'est pas une question de siècles, mais de décennies
Yuri Milner ,
homme d'affaires et philanthrope russe,
fondateur, Breakthrough Initiatives:
Au cours des 15 dernières années, il y a eu des avancées significatives, pourrait-on dire, révolutionnaires dans trois domaines technologiques: la miniaturisation des composants électroniques, la création d'une nouvelle génération de matériaux, ainsi que la réduction du coût et l'augmentation de la puissance laser. La combinaison de ces trois tendances conduit à la possibilité théorique d'accélérer le nanosatellite à des vitesses presque relativistes. Lors de la première étape (5 à 10 ans), nous prévoyons de mener une recherche scientifique et technique plus approfondie afin de comprendre comment ce projet est mis en œuvre. Le site Internet du projet contient une liste d'une vingtaine de problèmes techniques graves, sans lesquels nous ne pouvons pas aller plus loin. Ce n'est pas une liste définitive, mais sur la base de l'avis du conseil scientifique, nous pensons que la première phase du projet a une motivation suffisante. Je sais que le projet de la voile étoilée est soumis à de sérieuses critiques de la part des spécialistes, mais je pense que la position de certains experts critiques est associée à une compréhension pas tout à fait précise de ce que nous proposons réellement. Nous ne finançons pas un vol vers une autre étoile, mais des développements polyvalents assez réalistes liés à l'idée d'une sonde interstellaire uniquement dans une direction générale. Ces technologies trouveront des applications à la fois pour les vols dans le système solaire et pour la protection contre les astéroïdes dangereux. Mais fixer un objectif stratégique aussi ambitieux que le vol interstellaire semble justifié dans le sens où le développement de la technologie au cours des 10 à 20 dernières années fait probablement de la mise en œuvre d'un tel projet une question non pas de siècles, comme beaucoup le supposaient, mais plutôt de décennies.
D'autre part, un réseau phasé d'émetteurs / récepteurs optiques avec une ouverture totale d'un kilomètre est un instrument capable de voir des exoplanètes à une distance de dizaines de parsecs. En utilisant des récepteurs de longueur d'onde accordables, la composition de l'atmosphère des exoplanètes peut être déterminée. Des sondes sont-elles même nécessaires dans ce cas? «Bien sûr, l'utilisation d'un réseau phasé comme un très grand télescope ouvre de nouvelles possibilités en astronomie. Mais, ajoute Lubin, nous prévoyons d'ajouter un spectromètre infrarouge à la sonde comme programme à plus long terme en plus de la caméra et d'autres capteurs. Nous avons un grand groupe de photonique à l'UC Santa Barbara qui fait partie d'une collaboration. "
Mais dans tous les cas, selon Lyubin, les premiers vols auront lieu au sein du système solaire: «Puisque nous pouvons envoyer un grand nombre de sondes, cela nous offre de nombreuses possibilités. Nous pouvons également envoyer des petits ( échelle de tranche, c'est-à-dire sur une puce) sondes sur des fusées conventionnelles et utilisent les mêmes technologies pour étudier la Terre ou les planètes et leurs satellites dans le système solaire.
Les rédacteurs tiennent à remercier le journal Troitsky Variant - Science et son rédacteur en chef Boris Stern pour leur aide dans la préparation de l'article.
Le système solaire n'a depuis longtemps été d'aucun intérêt particulier pour les écrivains de science-fiction. Mais, étonnamment, pour certains scientifiques, nos planètes «d'origine» ne suscitent pas beaucoup d'inspiration, bien qu'elles n'aient pas encore été pratiquement explorées.
Ayant à peine coupé une fenêtre dans l'espace, l'humanité est déchirée à des distances inconnues, et pas seulement dans les rêves, comme auparavant.
Sergei Korolyov a également promis de voler prochainement dans l'espace "sur un ticket syndical", mais cette phrase a déjà un demi-siècle et l'odyssée spatiale est toujours le lot de l'élite - aussi plaisir coûteux... Cependant, il y a deux ans, HACA a lancé un projet ambitieux Vaisseau 100 ans, ce qui suppose la création progressive et à long terme d'une base scientifique et technique pour les vols spatiaux.
Ce programme sans précédent devrait attirer des scientifiques, des ingénieurs et des passionnés du monde entier. Si tout est couronné de succès, dans 100 ans l'humanité sera en mesure de construire un navire interstellaire, et nous nous déplacerons autour du système solaire comme dans les tramways.
Alors, quels problèmes faut-il résoudre pour que le vol des étoiles devienne une réalité?
LE TEMPS ET LA VITESSE SONT RELATIFS
L'astronautique des engins spatiaux automatiques semble à certains scientifiques être un problème presque résolu, assez curieusement. Et ceci malgré le fait qu'il ne sert absolument à rien de lancer des engins vers les étoiles avec les vitesses d'escargot actuelles (environ 17 km / s) et d'autres équipements primitifs (pour des routes aussi inconnues).
Maintenant, les vaisseaux spatiaux américains Pioneer-10 et Voyager-1 ont quitté le système solaire, et il n'y a plus aucun lien avec eux. Pioneer 10 se dirige vers la star Aldebaran. Si rien ne lui arrive, il atteindra le voisinage de cette étoile ... dans 2 millions d'années. De la même manière, d'autres appareils rampent à travers les étendues de l'Univers.
Ainsi, peu importe si un navire est habité ou non, pour voler vers les étoiles, il a besoin d'une vitesse élevée, proche de la vitesse de la lumière. Cependant, cela aidera à résoudre le problème du vol uniquement vers les étoiles les plus proches.
«Même si nous parvenions à construire un vaisseau stellaire capable de voler à une vitesse proche de la vitesse de la lumière», écrit K. Feoktistov, «le temps de trajet dans notre seule galaxie se comptera en millénaires et en dizaines de millénaires, puisque son diamètre est d’environ 100 000 lumens. ans. Mais beaucoup plus passera sur Terre pendant cette période. "
Selon la théorie de la relativité, le cours du temps dans deux systèmes se déplaçant l'un par rapport à l'autre est différent. Étant donné qu'à grande distance le navire aura le temps de développer une vitesse très proche de la vitesse de la lumière, la différence de temps sur Terre et sur le navire sera particulièrement grande.
On suppose que la première cible des vols interstellaires sera Alpha Centauri (un système de trois étoiles) - le plus proche de nous. Vous pouvez y voler à la vitesse de la lumière en 4,5 ans, sur Terre pendant ce temps cela prendra dix ans. Mais plus la distance est grande, plus la différence de temps est grande.
Vous vous souvenez de la célèbre "Nébuleuse d'Andromède" d'Ivan Efremov? Là, le vol se mesure en années, et terrestre. Un beau conte de fées, tu ne diras rien. Cependant, cette nébuleuse convoitée (plus précisément, la galaxie d'Andromède) est située à une distance de 2,5 millions d'années-lumière de nous.
Selon certains calculs, le voyage prendra plus de 60 ans pour les astronautes (en fonction des heures de vaisseau), mais toute une époque passera sur Terre. Comment leurs lointains descendants rencontreront-ils l'espace "Neaderthals"? Et la Terre sera-t-elle vivante du tout? Autrement dit, le retour n'a fondamentalement aucun sens. Cependant, comme le vol lui-même: nous devons nous rappeler que nous voyons la galaxie de la nébuleuse d'Andromède telle qu'elle était il y a 2,5 millions d'années - tant que sa lumière nous voyage. Quel est l'intérêt de voler vers une cible inconnue, qui, peut-être, n'a pas existé depuis longtemps, du moins sous sa forme antérieure et dans l'ancien lieu?
Cela signifie que même les vols à la vitesse de la lumière ne sont justifiés que vers des étoiles relativement proches. Cependant, les véhicules volant à la vitesse de la lumière ne vivent qu'en théorie, ce qui ressemble cependant à de la science-fiction scientifique.
BATEAU DE TAILLE DE PLANÈTE
Naturellement, tout d'abord, les scientifiques ont eu l'idée d'utiliser la réaction thermonucléaire la plus efficace dans le moteur du navire - comme déjà partiellement maîtrisée (à des fins militaires). Cependant, pour voyager dans les deux sens à une vitesse proche de la lumière, même avec une conception de système idéale, un rapport de masse initial à final d'au moins 10 à la trentième puissance est nécessaire. Autrement dit, le vaisseau spatial sera comme une énorme composition avec du carburant de la taille d'une petite planète. Il est impossible de lancer un tel colosse dans l'espace depuis la Terre. Et pour se rassembler en orbite - aussi, non sans raison, les scientifiques ne discutent pas de cette option.
L'idée d'un moteur photonique utilisant le principe de l'annihilation de la matière est très populaire.
L'anéantissement est la transformation d'une particule et d'une antiparticule, lorsqu'elles entrent en collision, en toute autre particule différente de celle d'origine. Le mieux étudié est l'annihilation d'un électron et d'un positron, qui génère des photons dont l'énergie va déplacer le vaisseau spatial. Les calculs des physiciens américains Ronan Keane et Wei-ming Zhang montrent que les technologies modernes peuvent être utilisées pour créer un moteur d'annihilation capable d'accélérer un vaisseau spatial à 70% de la vitesse de la lumière.
Cependant, d'autres problèmes commencent. Malheureusement, utiliser l'antimatière comme propulseur n'est pas facile. Pendant l'annihilation, il y a des éclairs du rayonnement gamma le plus puissant, destructeur pour les astronautes. De plus, le contact du carburant positron avec le navire est chargé d'une explosion mortelle. Enfin, il n'existe toujours pas de technologies pour obtenir une quantité suffisante d'antimatière et son stockage à long terme: par exemple, un atome d'antihydrogène «vit» maintenant moins de 20 minutes, et la production d'un milligramme de positrons coûte 25 millions de dollars.
Mais supposons qu'au fil du temps, ces problèmes puissent être résolus. Cependant, il faudra encore beaucoup de carburant et la masse de départ du vaisseau à photons sera comparable à la masse de la Lune (selon Konstantin Feoktistov).
BRISEZ LA VOILE!
Le vaisseau le plus populaire et le plus réaliste aujourd'hui est considéré comme un voilier solaire, dont l'idée appartient au scientifique soviétique Friedrich Zander.
Une voile solaire (lumière, photon) est un appareil qui utilise la pression de la lumière du soleil ou un laser sur une surface de miroir pour propulser un vaisseau spatial.
En 1985, le physicien américain Robert Forward a proposé une conception d'une sonde interstellaire accélérée par l'énergie du rayonnement micro-ondes. Le projet prévoyait que la sonde atteindrait les étoiles les plus proches dans 21 ans.
Au XXXVI Congrès international d'astronomie, un projet de vaisseau laser a été proposé, dont le mouvement est assuré par l'énergie de lasers dans le domaine optique, situés en orbite autour de Mercure. Selon les calculs, le trajet d'un vaisseau spatial de cette conception vers l'étoile epsilon Eridani (10,8 années-lumière) et retour prendrait 51 ans.
«Il est peu probable que, sur la base des données obtenues à partir de voyages dans notre système solaire, nous serons en mesure de faire des progrès significatifs dans la compréhension du monde dans lequel nous vivons. Naturellement, la pensée se tourne vers les étoiles. Après tout, il était auparavant entendu que les vols à proximité de la Terre, les vols vers d'autres planètes de notre système solaire ne sont pas le but ultime. Ouvrir la voie aux étoiles était la tâche principale. "Ces mots n'appartiennent pas à un écrivain de science-fiction, mais au concepteur de vaisseaux spatiaux et cosmonaute Konstantin Feoktistov. Selon le scientifique, rien de particulièrement nouveau dans le système solaire ne sera trouvé. Et cela malgré le fait que la personne n'a jusqu'à présent atteint que la lune ...
Cependant, en dehors du système solaire, la pression de la lumière solaire approchera de zéro. Par conséquent, il existe un projet de dispersion d'un voilier solaire avec des installations laser à partir d'un astéroïde.
Tout cela est encore une théorie, mais les premiers pas sont déjà en cours.
En 1993, une voile solaire de 20 mètres de large a été déployée pour la première fois sur le navire russe Progress M-15 dans le cadre du projet Znamya-2. Lorsque le Progress s'est amarré à la station Mir, son équipage a installé une unité de déploiement de réflecteurs à bord du Progress. En conséquence, le réflecteur a créé un point lumineux de 5 km de large, qui a traversé l'Europe vers la Russie à une vitesse de 8 km / s. La tache de lumière avait une luminosité à peu près équivalente à la pleine lune.
Ainsi, l'avantage d'un voilier solaire est le manque de carburant à bord, les inconvénients sont la vulnérabilité de la structure de la voile: en fait, il s'agit d'un mince foil tendu sur le cadre. Où est la garantie qu'en chemin la voile ne recevra pas de trous de particules cosmiques?
L'option de navigation peut convenir au lancement de sondes robotiques, de stations et de cargos, mais ne convient pas aux vols de retour habités. Il existe d'autres projets de vaisseaux spatiaux, mais ils ressemblent d'une manière ou d'une autre à ceux énumérés ci-dessus (avec les mêmes problèmes à grande échelle).
SURPRISES DANS L'ESPACE INTERSTELLAIRE
Il semble que de nombreuses surprises attendent les voyageurs dans l'Univers. Par exemple, à peine penché hors du système solaire, le vaisseau spatial américain Pioneer-10 a commencé à subir une force d'origine inconnue, provoquant une faible décélération. De nombreuses hypothèses ont été émises, y compris les effets encore inconnus de l'inertie ou même du temps. Il n'y a toujours pas d'explication sans ambiguïté à ce phénomène; diverses hypothèses sont envisagées: de simples hypothèses techniques (par exemple, la force réactive d'une fuite de gaz dans l'appareil) à l'introduction de nouvelles lois physiques.
Un autre appareil, le Voyadger-1, a enregistré une zone avec un champ magnétique puissant à la frontière du système solaire. Dans ce document, la pression des particules chargées de l'espace interstellaire oblige le champ créé par le Soleil à se densifier. L'appareil a également enregistré:
- une augmentation du nombre d'électrons de haute énergie (environ 100 fois) qui pénètrent dans le système solaire à partir de l'espace interstellaire;
- une forte augmentation du niveau des rayons cosmiques galactiques - des particules chargées à haute énergie d'origine interstellaire.
L'espace entre les étoiles n'est pas vide. Il y a des résidus de gaz, de poussière, de particules partout. En essayant de se déplacer à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, chaque atome entrant en collision avec le vaisseau sera comme une particule de rayons cosmiques de haute énergie. Le niveau de rayonnement dur pendant un tel bombardement augmentera de manière inacceptable même en volant vers les étoiles les plus proches.
Et l'effet mécanique des particules à de telles vitesses est comme des balles explosives. Selon certains calculs, chaque centimètre du bouclier du vaisseau sera tiré en continu à 12 coups par minute. Il est clair qu'aucun écran ne résistera à un tel impact pendant plusieurs années de vol. Ou il devra avoir une épaisseur (des dizaines et des centaines de mètres) et une masse (centaines de milliers de tonnes) inacceptables.
En fait, alors le vaisseau sera principalement constitué de cet écran et de ce carburant, ce qui nécessitera plusieurs millions de tonnes. En raison de ces circonstances, les vols à de telles vitesses sont impossibles, d'autant plus qu'en chemin, vous pouvez rencontrer non seulement de la poussière, mais aussi quelque chose de plus grand, ou tomber dans le piège d'un champ gravitationnel inconnu. Et puis la mort est à nouveau inévitable. Ainsi, s'il est possible d'accélérer le vaisseau spatial à une vitesse subluminale, il n'atteindra pas le but final - il y aura trop d'obstacles sur son chemin. Par conséquent, les vols interstellaires ne peuvent être effectués qu'à des vitesses nettement inférieures. Mais alors le facteur temps rend ces vols dénués de sens.
Il s'avère qu'il est impossible de résoudre le problème du transport des corps matériels sur des distances galactiques avec des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Cela n'a aucun sens d'éclater à travers l'espace et le temps avec une structure mécanique.
TROU MOLE
Les scientifiques, essayant de surmonter le temps inexorable, ont inventé comment «ronger les trous» dans l'espace (et le temps) et le «plier». Ils ont inventé une variété de sauts dans l'hyperespace d'un point de l'espace à un autre, en contournant les zones intermédiaires. Maintenant, les scientifiques ont rejoint les écrivains de science-fiction.
Les physiciens ont commencé à rechercher des états extrêmes de la matière et des failles exotiques dans l'Univers, où l'on peut se déplacer à une vitesse supraluminale, contrairement à la théorie de la relativité d'Einstein.
C'est ainsi qu'est née l'idée d'un trou de ver. Ce trou rassemble les deux parties de l'univers comme une coupe à travers un tunnel reliant deux villes séparées par une haute montagne. Malheureusement, les trous de ver ne sont possibles que dans un vide absolu. Dans notre Univers, ces terriers sont extrêmement instables: ils peuvent simplement s'effondrer avant qu'un vaisseau spatial n'y arrive.
Cependant, l'effet découvert par le Néerlandais Hendrik Casimir peut être utilisé pour créer des trous de ver stables. Il consiste en l'attraction mutuelle de la conduite de corps non chargés sous l'influence d'oscillations quantiques dans le vide. Il s'avère que le vide n'est pas complètement vide, il vibre dans le champ gravitationnel, dans lequel des particules et des trous de ver microscopiques apparaissent et disparaissent spontanément.
Il ne reste plus qu'à trouver l'un des trous et à l'étirer, en le plaçant entre deux billes supraconductrices. Une bouche du trou de ver restera sur Terre, tandis que l'autre vaisseau spatial se déplacera à une vitesse proche de la lumière vers l'étoile - l'objet final. Autrement dit, le vaisseau spatial, pour ainsi dire, percera un tunnel. Lorsque le vaisseau atteindra sa destination, le trou de ver s'ouvrira pour un véritable voyage interstellaire ultra-rapide, dont la durée sera calculée en minutes.
BULLE DE COURBE
La courbure des bulles s'apparente à la théorie des trous de ver. En 1994, le physicien mexicain Miguel Alcubierre a effectué des calculs selon les équations d'Einstein et a trouvé la possibilité théorique de déformation ondulatoire du continuum spatial. Dans ce cas, l'espace se rétrécira devant le vaisseau spatial et se développera simultanément derrière lui. Le vaisseau spatial est, pour ainsi dire, placé dans une bulle de courbure, capable de se déplacer à une vitesse illimitée. Le génie de l'idée est que le vaisseau spatial repose dans une bulle de courbure et que les lois de la relativité ne sont pas violées. En même temps, la bulle de courbure elle-même se déplace, déformant localement l'espace-temps.
Malgré l'incapacité de voyager plus vite que la lumière, rien n'empêche l'espace de se déplacer ou la propagation de la déformation de l'espace-temps plus rapide que la lumière, ce qui est supposé s'être produit immédiatement après le Big Bang lors de la formation de l'univers.
Toutes ces idées ne rentrent pas encore dans le cadre de la science moderne, mais en 2012, des représentants de la NASA ont annoncé la préparation d'un test expérimental de la théorie du Dr Alcubierre. Qui sait, peut-être que la théorie de la relativité d'Einstein fera un jour partie d'une nouvelle théorie globale. Après tout, le processus de cognition est sans fin. Cela signifie qu'un jour nous serons capables de percer les épines jusqu'aux étoiles.
Irina GROMOVA
Copyright de l'image AP Légende Il est difficile d'être aussi beau dans l'espace réel que Sandra Bullock l'a fait dans les films
Beaucoup de gens rêvent de voler en orbite, sur la lune ou même plus loin. Mais ceux qui vont dans l'espace sont confrontés à un certain nombre de risques pour la santé.
Selon le médecin de la série culte "Star Trek" Leonard McCoy (alias Kostoprav, alias Bony), "l'espace est une maladie et un danger enveloppés d'obscurité et de silence". Et il a raison à bien des égards. Voyager dans l'espace peut vous rendre faible, fatigué, malade et, avec un certain degré de probabilité, souffrir de dépression.
«Nous ne sommes pas adaptés pour exister dans un espace sans air, notre évolution ne l'a pas inclus», déclare Kevin Fong, fondateur du Center for the Study of Medicine à des conditions extrêmes, dans l'espace et à haute altitude à l'University College London et auteur de The Limit. Life, Death and the Possabilities of the Human Body.
Imaginons que vous ayez la chance de voler dans l'espace. Et maintenant vous êtes allongé sur votre chaise et comptez les secondes jusqu'au départ. Que devez-vous attendre de votre corps? Comment se comportera-t-il dans les minutes, heures, jours et mois à venir? Nous avons interrogé des scientifiques, des ingénieurs et des astronautes à ce sujet, qui savent par expérience ce qui arrive à une personne dans des conditions où notre corps est dans une situation complètement artificielle et étrangère. Comment gérer cela?
10 secondes après le démarrage. Possible perte de conscience
Le vaisseau spatial est séparé du complexe de lancement et l'accélération augmente à 4G. Vous ressentez quatre fois votre poids normal. Vous êtes pressé sur une chaise, il est même très difficile de bouger votre main.
«La surcharge déplace le sang vers les jambes et pour rester éveillé, nous devons maintenir le sang dans le cerveau», m'a expliqué John Scott, chercheur principal au Human Capabilities Lab, lorsque j'ai visité la centrifugeuse QinetiQ à Farnborough, dans le sud de l'Angleterre. ...
En raison du fait que le sang s'écoule de la tête, les pilotes militaires, même à des forces G relativement faibles, ont un voile gris devant les yeux. Certes, dans les vaisseaux spatiaux habités modernes, par exemple, dans le russe Soyouz, la pose du cosmonaute est choisie de telle manière (avec les jambes surélevées) afin de diriger le sang des jambes vers la poitrine et plus loin vers la tête.
10 minutes après le départ. La nausée
«La première chose dont les astronautes se plaignent, ce sont les nausées et les vomissements», dit Fong. Le manque de gravité affecte notre oreille interne, qui est responsable de l'équilibre, de la coordination et de l'orientation dans l'espace. «Cela réduit également [l'absence de gravité] la capacité de suivre les objets en mouvement», ajoute-t-il.
En plus de petits changements dans la vision, certains astronautes présentaient un œdème du nerf optique, des modifications de la rétine, une déformation du globe oculaire William Jeffs,NASA
Même si vous ignorez les boules de vomi volant en apesanteur sur la capsule, le «mal de l'espace» peut provoquer une faiblesse et une incapacité à effectuer les tâches assignées.
Un de ces incidents a presque perturbé le programme lunaire Apollo. Pendant le vol Apollo 9 (c'était le premier test de l'atterrisseur lunaire en orbite), Rusty Schweikart était initialement incapable d'accomplir certaines des tâches assignées, et la durée de la sortie dans l'espace a dû être raccourcie.
Anushe Ansari, qui est devenue la première femme touriste spatiale, a également déclaré qu'elle avait dû faire face à des nausées, des vomissements et une désorientation.
Deux jours après le départ. Visage enflé
J'ai récemment interviewé l'astronaute canadien Chris Hadfield. Selon lui, en orbite, il avait constamment le nez bouché. Dans l'espace, nous semblons être constamment debout sur nos têtes; le liquide s'accumule dans le haut du corps. Le résultat est un gonflement du visage. Semblable au gonflement des jambes lors d'un long vol.
Ils sont surexcités parce qu'ils sont dans l'espace, travaillent par équipes et doivent aussi s'habituer à dormir sac de couchageceintures fixées au mur
"Notre corps pousse le fluide vers le haut", explique Fong. "Lorsque nous sommes en apesanteur, les systèmes du corps continuent de fonctionner, et comme ils ne rencontrent pas de résistance sous forme de gravité, les tissus de la tête gonflent."
Mais le fait que vous ayez l'air plus gros que d'habitude n'est pas un problème. Des recherches récentes montrent également que les voyages dans l'espace peuvent affecter la vision. Des chercheurs de l'Université du Texas ont examiné des astronautes à l'aide de scanners IRM, et les deux tiers de ceux examinés étaient anormaux.
"Nous n'avons pas encore compris les raisons de cela", admet le porte-parole de la NASA William Jeffs. "En plus de petits changements dans la vision, certains astronautes ont été trouvés pour avoir un œdème optique, des changements rétiniens, une déformation du globe oculaire. Peut-être en raison d'une augmentation de la pression intracrânienne."
Une semaine après le départ. Diminution de la masse musculaire et osseuse
Lorsque la gravité est absente, notre corps commence à se dégrader.
Copyright de l'image Thinkstock Légende Avant de vous décider à faire votre premier pas sur Mars, prenez soin de vos os et de vos muscles!«De nombreux systèmes de notre corps ont besoin de la gravité pour fonctionner correctement», explique Fong. «Dans certaines expériences, les rats ont perdu jusqu'à un tiers de leur poids en sept à dix jours de vol. masse musculaire - et c'est beaucoup! »Le muscle cardiaque se dégrade également.
Lorsque vous êtes en orbite, comme la Station spatiale internationale, ce n'est pas si grave. Mais imaginons que vous planifiez un vol vers Mars. Vous atterrissez à 200 millions de kilomètres de chez vous et votre équipage ne peut pas marcher ...
Depuis le tout début de l'ère spatiale, les scientifiques se demandent comment aider les astronautes à rester en forme. Chaque membre de l'équipage de l'ISS consacre une heure par jour à l'entraînement cardio et une autre heure à l'entraînement en force. Malgré cela, lorsqu'ils reviennent sur Terre après une demi-année de surveillance en orbite, il leur est difficile de marcher.
Le manque de gravité affecte également les os. Ils se dissolvent - presque littéralement. "Dans certaines zones portantes, il y avait une perte de 1 à 2% par mois", explique Fong. "Il s'agit d'une perte osseuse très importante et d'une énorme quantité de calcium qui pénètre dans le sang."
Pour les futurs explorateurs prêts à poser le pied à la surface de Mars pour la première fois, cela pourrait être un sérieux obstacle. Ce sera dommage qu'une étape aussi importante pour l'humanité se termine par une banale fracture de la jambe.
Deux semaines après le début. Insomnie
"L'insomnie est l'un des problèmes les plus courants", dit Fong. "Les rythmes circadiens des astronautes, leur cycle de lumière du jour, tout va mal." En orbite, où le Soleil se lève toutes les 90 minutes, les astronautes peinent à s'adapter au manque de nuit naturelle.
De plus, ils sont surexcités du fait de leur séjour dans l'espace, ils travaillent par équipes, et ils doivent aussi s'habituer à dormir dans un sac de couchage, attaché au mur.
Pour lutter contre la privation de sommeil, l'ISS dispose de compartiments de couchage séparés qui peuvent être atténués pour simuler la nuit. Les tests passent nouveau système Éclairage LED conçu pour réduire la dureté artificielle de la lumière à bord de la gare.
Un an après le début. Maladies
Il est de plus en plus évident que les voyages dans l'espace ont des effets néfastes sur le système immunitaire. Les chercheurs de la NASA ont découvert que les globules blancs de la drosophile en orbite sont moins efficaces pour engloutir les micro-organismes exotiques et lutter contre les infections que les mouches génétiquement identiques laissées sur Terre.
Dans l'espace lointain, par exemple, sur le chemin de la Lune ou de Mars, la possibilité de recevoir une dose mortelle de rayonnement devient de plus en plus réelle.
Cette recherche est soutenue par d'autres travaux. D'autres insectes, souris et salamandres dans l'espace deviennent plus vulnérables aux maladies. Très probablement, la question est à nouveau en l'absence de gravité.
Les effets du rayonnement cosmique fournissent encore plus de motifs d'alarme. Les astronautes rapportent souvent avoir vu des éclairs de lumière brillants. La raison en est que les rayons cosmiques traversent leur cerveau. Et ceci malgré le fait que l'ISS tourne sur une orbite assez basse, et que l'atmosphère terrestre protège en partie les habitants de la station du rayonnement cosmique dur. Mais dans l'espace lointain, par exemple, sur le chemin de la Lune ou de Mars, la possibilité de recevoir une dose mortelle de rayonnement devient de plus en plus réelle. Cela peut rendre les longs vols trop dangereux.
Cependant, les observations des astronautes d'Apollo, qui ont passé plusieurs jours dans l'espace lointain à bord d'une capsule faiblement protégée, n'ont pas révélé probabilité accrue cancer.
Deux ans après le début. Dépression
Vous avez survécu au décollage, surmonté des nausées, appris à dormir dans l'espace et faire vos exercices pour que, lorsque vous arrivez sur Mars, vous puissiez en toute confiance remonter à sa surface. Vous êtes en grande forme physique. Mais comment vous sentez-vous psychologiquement?
En juin 2010, l'Agence spatiale européenne et l'Institut russe pour les problèmes biomédicaux ont envoyé six personnes sur un «vol vers Mars» d'une durée de 520 jours. La simulation de vol a eu lieu à la périphérie de Moscou dans un modèle de vaisseau spatial. Le stress associé au long vol et les problèmes causés par l'isolement ont été étudiés.
Comment résoudre les problèmes psychologiques des personnes piégées dans un proche automatisé boîte de conserveboire de l'urine recyclée et regarder les hublots d'un espace sans air sans fin?
Le voyage vers Mars s'est bien passé. C'était une aventure passionnante et l'équipage avait beaucoup à faire. La "marche sur Mars" s'est également bien déroulée. La partie la plus difficile a été la dernière partie du vol - le retour sur Terre. Les tâches quotidiennes sont devenues pénibles et les membres d'équipage sont devenus facilement ennuyés. Les jours passaient lentement. En général, les participants étaient submergés d'ennui.
Comment résoudre les problèmes psychologiques des personnes piégées dans une boîte de conserve automatisée exiguë, buvant de l'urine recyclée et regardant les hublots d'un espace sans air sans fin? Les spécialistes des agences spatiales continuent de travailler sur cette tâche.
«La santé psychologique de nos astronautes nous a toujours occupés pas moins que leur l'état physiquedit Jeffs. "La formation continue en comportement, la recherche et l'amélioration des technologies de la communication sont toutes conçues pour aider à prévenir tout problème potentiel."
Pour ce faire, tout d'abord, vous devez recruter les bonnes personnes dans les équipages. Une dépression nerveuse chez un astronaute est la pire chose qui puisse arriver.
De longues années d'évolution nous ont adaptés à la vie dans des conditions de gravité terrestre stable. L'atmosphère nous protège et nous permet de respirer. Probablement, une sorte de gravité artificielle résoudra partiellement le problème, mais l'espace dans tous les cas constitue une menace sérieuse pour la santé humaine.
La NASA prévoit de commencer une expérience d'un an sur l'ISS l'année prochaine pour examiner plus en détail les effets des voyages spatiaux à long terme sur les astronautes. En attendant, quiconque décide de quitter l'orbite relativement sûre de notre planète et d'aller vers d'autres mondes doit se souvenir: il n'y a pas encore de médecin sur Terre comme le personnage culte de Star Trek. La technologie qu'il a utilisée pendant son service à Starfleet non plus.
A propos de l'auteur. Richard Hollingum est journaliste et animateur du podcast Explorers of Space. Il est rédacteur en chef du magazine Space: UK pour la British Space Agency, commentateur de lancement pour l'Agence spatiale européenne et de la programmation scientifique sur BBC Radio.
Article original sur langue Anglaise peut être lu sur le site.
