Sur la route du voyage interstellaire, les humains tentent de transcender les limites des fusées chimiques traditionnelles et espèrent utiliser la lumière elle-même comme énergie. Technologie à fort potentiel, les voiles solaires interceptent l’impulsion des photons à travers d’immenses surfaces réfléchissantes pour obtenir une propulsion. Dans une vision plus radicale de la navigation interstellaire, les scientifiques prévoient d’utiliser des faisceaux laser de haute puissance pour accélérer la voile solaire afin d’atteindre des vitesses étonnantes difficiles à atteindre avec les engins spatiaux traditionnels.
Cependant, une nouvelle étude récemment publiée sur la plateforme de préimpression arXiv souligne que cette vision se heurte à un défi physique inattendu : lorsque le vaisseau spatial vole à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, la lumière qui lui donnait initialement de la puissance peut se transformer en une résistance de « traînée inverse ».
Les chercheurs Shen Chao (translittération) et Li Jiaze (translittération) de l'Institut de technologie de Harbin ont analysé en détail dans leur article trois mécanismes d'interaction entre les photons et les voiles solaires : le transfert d'impulsion provoqué par la lumière incidente directe, la force motrice provoquée par la réflexion spéculaire de la lumière sur la surface réfléchissante et la diffusion diffuse provoquée par l'absorption et la réémission des photons dans des directions aléatoires. Dans des conditions normales de navigation, ces effets physiques contribuent tous à propulser le voilier vers l’avant. Cependant, lorsque l'engin entre dans la plage de vitesse relativiste, des règles physiques spéciales proches de la vitesse de la lumière doivent être prises en compte.
L'étude a révélé qu'à mesure que la voile solaire s'éloigne de la source laser, la fréquence de la lumière est décalée vers le rouge en raison de l'effet Doppler, ce qui signifie que la poussée fournie par chaque photon diminue. Plus important encore, lorsque la vitesse de la voile solaire atteindra 75 % de la vitesse de la lumière, le phénomène d’aberration lumineuse relativiste aura un impact significatif. Du point de vue d'un observateur géostationnaire, les photons diffusés de manière diffuse subissent un déplacement vers l'avant dans leur direction de mouvement. Selon les lois physiques d'action et de réaction, cet effet de diffusion diffuse va en réalité évoluer vers une force de résistance agissant sur le système lorsque l'avion navigue à grande vitesse.
Bien que les recherches soulignent que la propulsion totale fournie par le laser est encore supérieure à la résistance à ce moment-là, de sorte que l'accélération peut encore être effectuée, l'efficacité de propulsion de la voile légère sera considérablement atténuée. Il convient de souligner que cette étude s'est principalement concentrée sur le domaine de la dynamique des radiations et n'a pas pris en compte la résistance supplémentaire apportée par les gaz ou les poussières interstellaires, ni les limitations thermiques ou les risques de fusion auxquels les matériaux de surface des voiles peuvent être confrontés sous une irradiation laser de haute puissance.
Actuellement, les ingénieurs aérospatiaux explorent activement l’utilisation de métamatériaux avancés et de cristaux photoniques pour optimiser la conception des voiles solaires. Théoriquement, ces matériaux spéciaux pourraient être capables « d'utiliser » l'effet d'aberration optique mentionné dans l'étude pour obtenir une correction et une stabilisation actives de la trajectoire de vol, garantissant que l'engin spatial soit toujours au centre du faisceau laser.
L’humanité a encore un long chemin à parcourir en matière d’ingénierie avant de construire un système de voile solaire capable de naviguer interstellaire. Actuellement, ce modèle théorique simplifie des facteurs complexes tels que la courbure espace-temps. Mais comme le disent les chercheurs, une compréhension approfondie de la mécanique du vol dans de tels systèmes constitue une étape cruciale, car lorsque les humains décideront finalement d’envoyer des sondes vers d’autres étoiles, toute compréhension précise des détails de la physique et de l’ingénierie constituera une base solide pour le succès de la mission.