Une nouvelle technologie à l’échelle microscopique pourrait un jour permettre d’atteindre Alpha Centauri en seulement 20 ans

Le vertige des distances interstellaires

L’immensité de l’espace confronte l’humanité à la brièveté de son existence. Pour envisager l’exploration de systèmes solaires au-delà du nôtre, une évolution technologique majeure s’impose rapidement.

Actuellement, voyager à la vitesse de la sonde Voyager illustre l’ampleur du défi. Bien qu’il ne s’agisse pas du vaisseau spatial le plus rapide construit à ce jour, il faudrait plus de 73 000 ans à un tel engin pour atteindre Alpha Centauri, le système stellaire le plus proche de la Terre, selon les données publiées par la NASA.

Un tel périple représente un obstacle infranchissable pour des astronautes. Sans la conception d’un système de stase fonctionnel prêt à l’emploi, ou l’élaboration d’un plan complexe pour gérer un vaisseau générationnel pendant des dizaines de milliers d’années avec des réserves de carburant colossales, l’émergence d’options nettement plus véloces devient une nécessité absolue.

La propulsion par la lumière comme alternative

Au sein du département de génie mécanique de l’Université A&M du Texas, des chercheurs ont démontré une avancée significative dans le domaine du mouvement propulsé par la lumière. Cette première mondiale, réalisée à l’échelle nanométrique, ouvre la voie à des vaisseaux capables de rejoindre Alpha Centauri en quelques décennies seulement, et non plus en plusieurs millénaires, s’inscrivant ainsi dans la durée d’une vie humaine.

L’idée d’utiliser la lumière pour propulser des engins spatiaux légers sur de longues distances est étudiée depuis des décennies. Le principe de base repose sur l’utilisation de la quantité de mouvement des photons, qu’ils soient émis par le Soleil ou par de puissants lasers de fabrication humaine, afin d’accélérer un vaisseau et de le placer sur sa trajectoire spatiale.

Le docteur Shoufeng Lan, professeur adjoint et directeur du laboratoire de nanophotonique avancée, propose une analogie visuelle dans un communiqué. La méthode est beaucoup plus raffinée que cela, mais le scientifique décrit ce mécanisme comme le fait de faire rebondir des balles de ping-pong sur une surface, ce qui engendre inévitablement une force mesurable sur la paroi avec laquelle les balles entrent en collision.

La physique des forces métaphotoniques

L’équipe de recherche a détaillé les fondements théoriques de cette technologie dans sa publication, en se concentrant spécifiquement sur des matériaux ultrafins appelés « métasurfaces », couramment utilisés en optique et en photonique.

Les scientifiques expliquent leur démarche : « D’après la loi du mouvement de Newton, tout changement de quantité de mouvement entre la lumière d’entrée et de sortie à une interface peut générer une force de réaction mécanique de compensation sur l’interface elle-même ». Ils précisent ensuite l’obstacle historique rencontré : « Malgré sa nature fondamentale, une relation générale entre la déviation anormale et la force optique résultante faisait défaut. »

Le contrôle de la direction du vaisseau résultant, ou de toute autre application future de cette technologie, représentait un problème majeur sur lequel cette nouvelle étude a réalisé des progrès décisifs. Les chercheurs détaillent leur approche théorique : « En nous appuyant sur la loi de Snell généralisée et sur la conservation de la quantité de mouvement, nous développons un cadre théorique qui relie le changement de quantité de mouvement induit par les métasurfaces avec la génération de force. »

Une démonstration tridimensionnelle inédite

Les forces générées par ce processus optique ne se limitent pas à un seul axe de déplacement. Les auteurs de l’étude affirment : « Les forces générées ne sont pas seulement latérales mais aussi verticales, permettant un contrôle optique tridimensionnel (3D) complet. Nous appelons ces forces contrôlables des forces métaphotoniques, car elles découlent directement du transfert de quantité de mouvement conçu à partir de la métasurface. »

Pour valider ce concept expérimentalement, l’équipe a minutieusement assemblé des métajets à l’échelle du micron. Ces structures, constituées de réseaux de nanopiliers de silicium, ont été spécifiquement conçues pour conférer aux métajets une maniabilité tridimensionnelle lorsqu’un laser les illumine.

Sur ce front, les essais se sont révélés être un succès franc. Les chercheurs ont démontré un contrôle précis du métajet immergé dans un fluide en utilisant une lumière polarisée linéairement, tandis qu’aucun mouvement de rotation indésirable apparent n’a été détecté lors des multiples expériences réalisées en laboratoire.

Des microscopes aux voiles interstellaires

Les résultats obtenus lors de ces expériences suggèrent un immense potentiel. L’équipe conclut son analyse : « Plus important encore, nous exploitons les métasurfaces vers une interface structurée générale et développons un modèle de base pour générer des forces métaphotoniques avec réflexion et réfraction en combinant la loi du mouvement de Newton et la loi de Snell. »

Cette mise à l’échelle théorique s’accompagne d’une projection vertigineuse vers l’ingénierie spatiale future. « Pendant ce temps, notre modèle montre que la force métaphotonique augmente avec l’accroissement de la puissance optique tout en n’ayant aucune limite sur la taille globale des objets structurés. Par conséquent, les forces métaphotoniques pourraient étendre la manipulation optique depuis les échelles microscopiques et sub-microscopiques prédominantes vers des cadres vastes, tels que les voiles lumineuses interstellaires dans le voyage et l’exploration spatiale. »

Bien que cette étude, officiellement publiée dans la revue Newton, s’avère intéressante et passionnante, le lancement effectif de missions spatiales raccourcies n’est pas attendu dans un avenir immédiat. Des développements beaucoup plus importants restent nécessaires, et l’équipe espère pour l’instant mener des tests supplémentaires de ce concept au sein d’environnements de microgravité.

Selon la source : iflscience.com