Voile solaire IKAROS (Andrzej Mirecki / Wikimedia commons) 
Si les humains doivent envoyer de minuscules sondes à travers les vastes distances de l'espace, la conception de leurs voiles devra trouver un équilibre délicat entre masse, force et réflectivité. Maintenant, les ingénieurs ont inventé un nanomatériau qui pourrait bien faire l'affaire, nous aidant à rapprocher les sondes spatiales de la vitesse de la lumière.
Le nouveau matériau, inventé par des ingénieurs du California Institute of Technology, est composé de silicium et de son oxyde, la silice.
L'équipe a découvert que des structures super minces faites de ces deux matériaux pourraient convertir des ondes de lumière infrarouge en un élan qui accélérerait une sonde à des vitesses d'environ 60 000 kilomètres (37 000 milles) par seconde.
C'est un étonnant 20 % de la vitesse de la lumière, ce qui pourrait transporter une petite sonde jusqu'à nos voisins stellaires les plus proches, un groupe d'étoiles appelé A côté du centaure , en quelques décennies plutôt qu'en millénaires.
C'est dans notre nature de tendre la main et de toucher. Bien que nous en sachions beaucoup sur les étoiles lointaines grâce à la lumière qu'elles émettent, nous sommes poussés à nous rapprocher de plus en plus pour mieux les regarder.
L'envoi d'humains dans un système solaire proche ne se produira tout simplement pas de si tôt. Mais la science pourrait être à portée d'utiliser l'inertie des photons pour amener de minuscules éléments de technologie aux vitesses nécessaires pour couvrir de grandes distances en relativement peu de temps.
Contrairement aux grosses molécules d'air, la lumière n'a pas de masse au repos. Ainsi, il ne 'souffle' pas de la même manière que le vent.Mais les photons volants ont toujours du punchen exerçant une pression via leur élan, selon les équations de Maxwell sur le rayonnement électromagnétique.
L'idée est d'utiliser un laser pour tirer de manière cohérente un flux de photons à des longueurs d'onde infrarouges sur un « filet de lumière », ou voile, attaché à un objet que nous voulons transporter dans l'espace.
Même pour de petits objets, cela reviendrait à lancer une grande voile, ce qui signifie à son tour ajouter plus de masse. Cette voile doit donc être aussi légère que possible, ce qui pourrait la rendre facilement endommagée.
Vous pouvez déjà voir que les problèmes commencent à monter.
Ensuite, il y a la question de la chaleur. Les photons impactant les molécules composant ce réseau de collecte de lumière seraient absorbés, les faisant trembler avec une énergie supplémentaire.
Ainsi, le matériau parfait devrait être capable de supporter les températures élevées en évacuant rapidement cette chaleur sous forme de rayonnement.
La plupart des matériaux concurrents, tels que l'aluminium et graphène , ont des problèmes avec la façon dont ils captent ou émettent de la lumière, ou sont trop lourds ou trop faibles.
En se tournant vers les nanomatériaux, les ingénieurs ont l'avantage de modifier la façon dont la lumière est absorbée et émise, ce qui leur permet d'affiner l'équilibre délicat consistant à capter suffisamment de lumière pour augmenter la vitesse sans surchauffe.
Une couche super mince faite de silicium et de dioxyde de silicium – ou de silice – pourrait être exactement ce dont nous avons besoin.
Le composant en silicium aurait le bon indice de réfraction, une mesure de la façon dont la lumière frappe et est réémise. Cela donne à la voile la poussée dont elle a besoin pour prendre de la vitesse.
Mais le silicium n'est pas très bon pour émettre de la chaleur sous forme de rayonnement, il risquerait donc de se désintégrer.
La silice ne partage pas le talent du silicium pour la réfraction. Mais il convertit l'énergie thermique en rayonnement plus efficacement que le silicium seul, ce qui permet un meilleur refroidissement.
Que cette recette précise s'avère ou non optimale nécessite une expérimentation.
Mais l'équipe a également proposé une nouvelle norme que nous pouvons utiliser pour tester l'efficacité des voiles potentielles en tant que mesure de leur réflectivité par rapport à la masse de la charge utile, appelée densité de surface ajustée à la réflectivité, ou RAAD.
En utilisant cette mesure, nous pouvons comparer la réflectivité de différents matériaux et obtenir une meilleure estimation de leurs vitesses potentielles.
Le temps nous dira si un mélange de silice et de silicium fonctionnera comme prévu. Même si c'est le cas, il y aencore beaucoup de défis à releveravant que nous puissions nous attendre à des cartes postales de l'extérieur de notre système solaire.
ICARE , un engin à voile solaire lancé par l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale en mai 2010, avait des voiles faites d'un polymère imide .
Il a réussi une vitesse impressionnante d'environ 100 mètres par seconde - assez rapide pour se rendre à Vénus en décembre de la même année, mais loin d'être assez rapide pour un voyage interstellaire.
Pourtant, cela montre que nous sommes sur la bonne voie.
Avec ce type de recherche, il est possible que ces défis continuent de diminuer dans les années à venir. Ces étoiles sont peut-être encore à portée de main.
Cette recherche a été publiée dans Nano-lettres .