Essaim vers Proxima Centauri : des essaims cohérents de pico-engins spatiaux sur des distances interstellaires
(astrobiology.com)Vol en essaim vers Proxima Centauri : vol cohérent en essaim de micro-engins spatiaux
Aperçu
- Titre de l’article : Swarming Proxima Centauri: Coherent Picospacecraft Swarms Over Interstellar Distances
- Auteur : Keith Cowing
- Source : NASA NIAC
- Date : 18 mai 2024
- Sujet : 'Oumuamua, interstellaire, propulsion laser, NASA, NIAC, picospacecraft, Proxima Centauri, Proxima Centauri b, smallsats, Thomas Eubanks
Points clés
Potentiel des micro-engins spatiaux
- Micro-engins spatiaux : des engins spatiaux ultra-miniatures de l’ordre du gramme sont considérés comme la seule technologie capable d’atteindre d’autres étoiles grâce à une propulsion par lumière laser.
- Propulsion laser : on suppose qu’un puissant faisceau laser d’environ 100 GW pourra, d’ici le milieu du siècle, accélérer des engins de quelques grammes à des vitesses relativistes.
- Voile laser : il faut une voile laser robuste capable de supporter le lancement, ainsi qu’un grand récepteur optique (~1 kilomètre carré) capable de capter des signaux lumineux depuis la Terre.
Mission représentative
- Objectif de mission : une mission de survol de Proxima b au milieu du siècle est proposée en utilisant un essaim de plusieurs milliers de micro-engins spatiaux.
- Contraintes : il existe des contraintes extrêmes sur la masse au lancement (grammes), la puissance embarquée (milliwatts) et l’ouverture de communication (de centimètres à mètres).
- Nécessité de l’essaim : un grand nombre d’engins doivent coopérer pour générer un signal optique puissant.
Autonomie et réseau
- Autonomie : avec un délai aller-retour de 8 ans, un contrôle effectif depuis la Terre est impossible, l’essaim doit donc disposer d’une forte autonomie.
- Réseau : il doit construire un réseau maillé via des liaisons optiques basse consommation et synchroniser ses horloges avec la Terre et entre ses membres afin de prendre en charge un PNT (position, navigation, synchronisation temporelle) précis.
Lancement et vol
- Mode de lancement : le concept commence par une longue file d’engins spatiaux lancés un par un à une vitesse d’environ 0,2c.
- Synchronisation temporelle : après le lancement, le laser de propulsion est utilisé pour la signalisation et la synchronisation des horloges, fournissant un signal temporel continu.
- Réglage de vitesse : l’accélération initiale est ajustée pour que l’arrière de la file rejoigne sa tête.
- Formation de l’essaim : la file initiale, longue de plusieurs centaines à milliers d’AU, se combine dynamiquement avec le temps en un réseau maillé en forme de lentille.
Communications et transmission de données
- Synchronisation de position : les membres de l’essaim connaissent leur position relative et maintiennent la synchronisation à l’aide d’horloges microminiatures de dernière génération.
- Transmission de données : tous les engins transmettent les mêmes données, mais ajustent leur heure d’émission selon leur position relative afin que les signaux arrivent simultanément au réseau de réception sur Terre.
- Amplification de puissance : chaque engin de l’essaim produit une unique impulsion laser courte mais extrêmement lumineuse afin de maximiser la capacité de transmission de données.
Avantages de l’essaim
- Réduction des risques : un essaim peut tolérer des pertes importantes en route, ce qui réduit le risque de « mettre tous ses œufs dans le même panier ».
- Observations multiples : il permet d’observer Proxima b de près depuis plusieurs perspectives.
Expériences et missions futures
- Expériences actuelles : la technologie d’essaim peut être explorée et testée dans des environnements de simulation.
- Missions futures : plusieurs missions sont envisagées, à partir de l’orbite terrestre ou lunaire, puis étendues au système solaire externe.
- Exemples de mission : elles pourraient explorer l’objet interstellaire 1I/’Oumuamua, qui s’éloigne rapidement, ou la lentille gravitationnelle solaire.
Avis de GN⁺
- Défi technique : l’autonomie des essaims de micro-engins spatiaux et la synchronisation de leur réseau représentent un défi technique extrêmement élevé.
- Possibilités futures : si cette technologie réussit, elle pourrait ouvrir un nouveau chapitre de l’exploration spatiale et compléter les technologies existantes.
- Facteurs de risque : même si l’essaim peut supporter des pertes importantes, de nombreux risques techniques subsistent.
- Question des coûts : le coût et les ressources nécessaires à l’exécution d’une telle mission devraient être considérables.
- Projets similaires : d’autres projets aux objectifs comparables existent également, comme Breakthrough Starshot.
1 commentaires
Avis de Hacker News
Je suis né 11 ans après l’alunissage, et si je vis théoriquement jusqu’à 120 ans, je pourrais voir les données de survol rapproché des sondes de l’essaim Proxima
Calcul fondé sur un lancement en 2076, 20 ans de vol à 0,2c, et 4 ans pour le retour de l’information
Les chances que ce plan soit réellement déployé, comme celles que je vive jusque-là, sont très faibles, mais l’idée que l’humanité puisse passer de la Lune à l’étoile la plus proche en presque une seule vie reste stimulante
Il n’y aura probablement « rien » sur Proxima, comme sur la Lune, mais ce n’est pas l’essentiel
Ce qui a de la valeur se trouve chez les gens avec qui nous partageons la Terre, mais nous avons besoin d’ambitions et de rêves communs
Pour mériter d’être rêvé, quelque chose n’a pas forcément besoin d’être raisonnable ; au contraire, la « rationalité » des rapports trimestriels et des évaluations de performance est l’ennemie des rêves
Les lunes des géantes gazeuses ont elles aussi été considérées un temps comme inactives et ennuyeuses, mais quand on est allé les voir de près, elles se sont révélées pleines de caractéristiques variées et fascinantes
Il existe une sorte de « loi » ou de « paradoxe » dont je ne me souviens plus du nom, selon lequel même si l’on lance quelque chose en 2076 à 0,2c, on pourrait envoyer plus tard un engin plus rapide qui dépasserait la sonde initiale
On ne peut pas le savoir avant d’aller voir
L’explication selon laquelle tout l’essaim produirait simultanément des impulsions laser très brillantes pour communiquer avec la Terre ne me paraît pas réalisable
D’après ce que je comprends, il n’y a pas de méthode de maintien de position, et même si le milieu interstellaire est relativement vide, il y aura de la dérive à l’échelle des années-lumière
Il ne paraît pas plausible que des vaisseaux indépendants synchronisent leurs signaux avec assez de précision pour qu’ils se superposent et soient recevables depuis la Terre, et l’atténuation devrait être énorme ; j’aimerais voir les chiffres
Un certain maintien de position est aussi possible
L’idée est d’ajuster l’attitude pour modifier l’amplitude et la direction du vecteur de traînée
https://arxiv.org/abs/2309.07061
C’est clairement impossible avec la technologie actuelle, mais cela ne me semble pas relever d’une matière totalement magique
On dirait un plan consistant à additionner de manière cohérente le signal de chaque sonde ; pour cela, il faut aussi que les impulsions laser soient cohérentes entre elles
Les longueurs d’onde visibles sont de l’ordre de quelques centaines de nanomètres, donc une précision spatiale de cet ordre serait nécessaire par rapport aux espacements beaucoup plus grands entre sondes qui sont proposés
Si l’on tient aussi compte de la cohérence temporelle, ce serait probablement impossible sans que les sondes se verrouillent activement sur les lasers les unes des autres ; cela exigerait donc que chaque sonde dispose au minimum d’une optique capable d’envoyer et de détecter des signaux lumineux vers ses plus proches voisines
Difficile d’affirmer que c’est impossible dans la limite de masse, mais cela paraît assez approximatif
« À l’échelle des années-lumière » signifie qu’il faut littéralement des années pour coordonner leurs mouvements entre elles, sans même parler des messages de coordination envoyés depuis la Terre après le lancement
Chaque vaisseau peut utiliser son laser de communication comme source de poussée
Dans le même ordre d’idées, j’aimerais énormément voir de mon vivant l’imagerie d’exoplanètes par lentille gravitationnelle solaire
Il reste encore pas mal de temps, mais c’est frustrant de voir ces grands projets d’astronomie avancer aussi peu
Au lieu d’aller à 540 UA comme avec la lentille gravitationnelle solaire, il suffit de placer un télescope à L2
Ce ne serait pas aussi puissant que cette dernière, mais rien que l’échelle des distances le rend bien plus réalisable, et ce serait essentiellement un James Webb « pour l’observation de la Terre »
[1] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ESS.....433310K/abstra...
Et qu’il ne se tourne pas les pouces : qu’on reçoive la première lumière de lentille d’ici 2050
C’est l’un de ces projets de rêve que j’aimerais voir se réaliser avant de mourir
Pour ceux qui ne savent pas ce que c’est ni ce que cela pourrait signifier :
https://www.space.com/sun-gravity-could-help-observe-exoplan...
Il existe la notion de projets à l’échelle de la décennie, et certains sont continuellement affinés par des groupes de travail ou des équipes plus petites
Il peut aussi y avoir volontairement peu de débats publics
Une idée peut ne pas encore être réalisable, puis une nouvelle technologie arrive et une vieille idée ressort du tiroir
D’autres idées sont tellement fantastiques qu’elles provoquent immédiatement un retour de bâton, ce qui rend difficile pour les élus du Congrès de s’y associer et de les financer
Heureusement, le JWST, malgré tous ses retards, a été un succès auprès du public, ce qui a rendu ces projets plus positivement perçus
J’espère simplement que Boeing ne sera pas impliqué
Si vous avez beaucoup de temps, vous pourriez aussi aider directement ce projet que vous voulez voir aboutir
Pour cet usage, les sondes en essaim semblent inefficaces
Elles dupliquent beaucoup trop de masse, alors que cette masse pourrait aussi être utilisée dans un seul vaisseau, non pas « dans le même panier », mais avec une redondance suffisante
De plus, l’explication selon laquelle une ligne initiale de centaines à milliers d’UA de long finirait, avec le temps, par se recombiner en un réseau maillé lenticulaire de 100 000 km de large paraît impossible
Comment des objets extrêmement petits situés tout à l’avant ou à l’arrière de la ligne pourraient-ils, avec pour seule source d’énergie un laser distant de plusieurs années-lumière, ralentir ou accélérer assez pour se repositionner sur des centaines d’UA, puis se réajuster à une vitesse permettant de maintenir la formation ?
La lentille est-elle orientée vers la cible pour l’imagerie, ou vers la Terre pour les communications ? Dans le premier cas, comment obtient-on le gain nécessaire pour envoyer le signal vers la Terre ; dans le second, comment fait-on de la science utile sur la cible ?
Quelqu’un a-t-il fait ne serait-ce qu’un calcul très approximatif de budget de liaison pour les communications ? Les faisceaux laser divergent et perdent leur cohérence ; pourquoi semble-t-on supposer qu’ils convergent éternellement et restent cohérents ?
Quelle est la densité d’énergie d’un laser de 100 GW après divergence jusqu’à 100 000 km, à une position située à ±50 000 km de rayon ? C’est que les membres de l’essaim au bord de la lentille auraient, à mon avis, besoin de la même puissance que ceux du centre
Il faut donc utiliser de petits engins spatiaux, et comme un seul de ces petits engins ne peut pas tout faire, on en envoie plusieurs
Par ailleurs, la proposition ne fonctionne pas comme ça
Chaque engin aurait sa propre source d’énergie, et il n’y a pas de véritable fil
Ici, « ligne » et « maillage » désignent des formes géométriques, pas des objets physiques
La manière dont ils se recombinent est indiquée dans la phrase juste avant la citation : on module l’accélération initiale pour que la queue de la ligne rattrape la tête, puis, pendant les 20 ans de croisière, on utilise la traînée du milieu interstellaire pour maintenir l’essaim ensemble après assemblage
La lentille de communication n’a rien à voir avec la forme en lentille du maillage des sondes ni avec les instruments de collecte de données
On utilise des choses différentes pour prendre les images et pour les envoyer
Le gain pour envoyer le signal vers la Terre correspond à l’explication de l’article : chaque sonde envoie les mêmes données, mais ajuste son temps d’émission selon sa position relative afin que les impulsions arrivent simultanément sur le réseau de réception terrestre
La densité d’énergie du laser de 100 GW après divergence n’est pas pertinente, puisqu’il ne sert pas d’alimentation électrique
Asimov a écrit quelque chose là-dessus ; si on pouvait l’amener assez près du Soleil, cela pourrait fournir une puissance illimitée aux régions sombres de l’Univers
Les personnes qui mènent l’expérience de la goutte de poix ne s’attendent pas à obtenir un résultat définitif de leur vivant
Les doctorants du JPL, avant que la technologie des fusées ne devienne plus courante, ressentaient probablement quelque chose de similaire
Quiconque voudrait participer à cette tentative devra accepter que, au mieux, ce qu’il obtiendra durant sa vie professionnelle relèvera de résultats secondaires ou tertiaires, et qu’il ne découvrira pas de résultat substantiel issu du dispositif lui-même, s’il veut y trouver du plaisir ou de la reconnaissance
Comparé au fait d’aider à construire le SKA ou à lancer Webb, le rapport coût par personne / résultats obtenus de son vivant pourrait être meilleur de ce côté-là
Cela ne veut pas dire que c’est « mieux », seulement que les résultats scientifiques de la mission principale arrivent plus vite
Il y a aussi beaucoup de bonne science dans les effets secondaires et tertiaires
Le comportement de systèmes conçus pour être stockés longtemps dans l’espace puis activés, de nouveaux modèles de propulsion, etc. : les bons sujets scientifiques ne manquent pas
J’ai entendu dire que si l’on refaisait Voyager aujourd’hui, on pourrait se permettre des lanceurs et des systèmes radiofréquence 10 ou 100 fois meilleurs, et obtenir des résultats au même endroit plus rapidement
Mais personne travaillant sur Brilliant dust ne verra un résultat du type « images récentes en gros plan de Proxima Centauri »
Le coût pour atteindre une fraction significative de la vitesse de la lumière est trop élevé
Si le laser ne touche rien, sur quelle distance le faisceau reste-t-il assez étroit ? Est-ce une fonction de la géométrie de l’émetteur ?
Si l’on pointe un laser de 100 GW sur un petit morceau de silicium, il va devenir très chaud ; je me demande donc si, en touchant périodiquement une toute petite sonde à grande distance, cela ne pourrait pas servir non seulement à la propulsion, mais aussi à l’alimentation électrique
À condition de pouvoir encore l’atteindre à une distance suffisante
Rendre la sonde très légère est une réponse convaincante au problème consistant à accélérer une masse jusqu’à une vitesse utile pour un vol interstellaire, et on peut aussi mettre une quantité appréciable de machines dans un morceau de silicium
Qu’une puce absorbe l’énergie d’un émetteur laser lointain, en stocke une partie, effectue des calculs, puis réémette de l’énergie via quelque chose comme des LED en surface pour ajuster finement sa position ou communiquer avec d’autres puces de l’essaim, c’est au moins vaguement plausible
Ça marche suffisamment bien comme SF, et ce sera peut-être réalisable dans la réalité
C’est la distance à laquelle le faisceau diverge jusqu’à sqrt(2) fois sa taille initiale, c’est-à-dire son waist [1]
Cette distance est proportionnelle au carré du waist du faisceau et inversement proportionnelle à la longueur d’onde
Pour un faisceau de 1 m et une longueur d’onde de 1 um, cela donne environ 3e6 m, soit 3000 km
Donc plus le diamètre du faisceau est grand et plus la longueur d’onde est longue, moins la divergence est forte
Il existe aussi des formes de faisceau « non diffractantes » qui peuvent conserver leur forme initiale sur une certaine distance, par exemple les faisceaux de Bessel [2]
[1] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_length
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_beam
La partie sur la synchronisation des horloges embarquées des sondes avec la Terre et entre elles, afin de prendre en charge la position, la navigation et le temps avec précision, semble, au moins à première vue, être un défi énorme si l’on tient compte du fait qu’elles se déplacent à des vitesses relativistes
Comment freine-t-on ? À quel moment retourne-t-on la voile pour ralentir avec la lumière de l’étoile ?
Si l’on peut maintenir optiquement cohérentes de nombreuses sondes, alors on peut faire la même chose avec des miroirs séparés dans le Système solaire
Avec un télescope de 100 000 km de cette taille d’essaim, on pourrait résoudre des détails de moins de quelques centaines de mètres sur Proxima Centauri
Ou alors on peut utiliser un interféromètre computationnel, mais il faudrait pouvoir mesurer précisément la phase de la lumière aux longueurs d’onde visibles, ce qui reste un problème non résolu
À propos de l’idée selon laquelle « propulser par lumière laser de petites sondes interstellaires de l’ordre du gramme est probablement la seule technologie qui puisse nous permettre d’atteindre une autre étoile au cours de ce siècle », examiner ici la propulsion par faisceau peut offrir un autre point de vue
http://www.gdnordley.com/_files/2way%20EML%20&%20PB%20prop.p...
Si, quel que soit le progrès technologique, seuls des objets de faible masse peuvent être accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, des êtres hautement intelligents et technologiquement avancés ont peut-être réduit la masse de leur propre corps pour explorer la galaxie
Les êtres les plus avancés et intelligents pourraient ne peser que quelques grammes
C’est au moins un sujet de SF intéressant ;-)