EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

De la difficulté d’explorer les systèmes stellaires voisins par l’astronautique.

En septembre 2025, les dirigeants de Breakthrough Inititatives, un ensemble de programmes financés par une fondation créée par Julia et Youri Millner, ont déclaré « suspendre indéfiniment » leur programme Breakthrough Starshot. Initié en 2016, ce programme qui consistait à lancer des microsondes jusqu’au système planétaire le plus proche, celui d’Alpha Centauri (4,23 à 4,37 années-lumière), en un temps acceptable (une vingtaine d’années) avait utilisé 4,5 millions de dollars sur une enveloppe de 100 millions. Les parrains, outre les époux Millner (il est physicien et homme d’affaires) comptaient parmi eux des personnalités prestigieuses : Stephen Hawking, Avi Loeb (Professeur en Astrophysique à Harvard), Mark Zuckerberg, Pete Worden (ancien directeur du centre de recherches Ames de la NASA). On peut déplorer cette décision de « suspension » mais il faut la comprendre et je vais tenter de l’expliquer ci-après.

D’abord, parlons de la motivation.

L’objet de Breakthrough Starshot était d’aller voir de près ce qu’il se passe dans un autre système planétaire que le nôtre. C’est pour cela que le choix s’était porté sur le plus proche. Le choix n’était pas a priori (en dehors de la proximité) le meilleur possible au point de vue astronomique / astrophysique si l’on veut faire une comparaison avec un autre système très semblable, car nous sommes loin de la configuration de notre propre système. En effet, Alpha Centauri comprend trois étoiles, deux principales (autrement dit, une ‘étoile binaire’) ‘Alpha Centauri A’ et ‘Alpha Centauri B’, dont le centre de gravité est situé à 4,37 années-lumière et ‘Alpha Centauri C’, connue sous le nom de Proxima Centauri, qui s’approche de nous jusqu’à 4,23 al. Les deux membres de l’étoile binaire sont des naines jaunes, comme notre Soleil, Proxima est une naine rouge. Les interactions entre les planètes de ces astres liés les uns aux autres sont évidemment très différentes de celles des nôtres et cela a certainement des conséquences sur leurs positions respectives par rapport à l’étoile, leurs orbites, leurs masses et ce qui se passe à leur surface. Mais les voir seraient néanmoins très instructif et passionnant.

Il y a cependant un problème : la distance.

Certains diront que 4,23 al, ce n’est rien par rapport aux autres distances cosmiques. Rappelons-nous en effet que le centre de notre galaxie se trouve à 26.000 al et que le diamètre de notre galaxie est de 100.000 al. Cependant, se déplacer à presque la vitesse de la lumière est loin d’être à la portée de nos technologies. C’est tout à la fois, un problème de masse de nos vaisseaux, de puissance de nos moteurs, de vulnérabilité de ces vaisseaux et de ressources énergétiques. L’objet le plus rapide construit par l’homme, la sonde Parker (PSP) se déplace à 692.000 km/heure, soit seulement 192 km/s, et ce, après avoir bénéficié de plusieurs accélérations gravitationnelles du Soleil. On est vraiment très loin des 300.000 km/s de la vitesse de la lumière (avec PSP il faudrait 6609 années pour atteindre Proxima!).

Pour pallier cette inadéquation, Breakthrough Starshot voulait donner à ses microsondes une vitesse initiale aussi haute que possible avant d’atteindre 2.000.000 de km. Cette limite de distance vient de plusieurs contraintes : En premier lieu, le mode de propulsion choisi (non embarqué!), la propulsion de voiles par une forêt de lasers à partir de la Terre, ne pouvait être plus éloignée car, au-delà, une focalisation suffisamment précise devenait impossible même si la probabilité qu’elle le soit était accrue par la multiplicité des cibles et l’étendue de leur présence dans l’espace (un nuage de microsondes prépositionné à quelques 60.000 km de la Terre). En deuxième lieu, la puissance énergétique mobilisable ne pouvait excéder un certain seuil. Déjà les 100 GW envisagés ne pouvaient être disponibles que très difficilement. Il s’agissait d’accumuler cette puissance pour pouvoir la décharger aussi vite que possible avant que les micro sondes n’atteignent la distance maximum (les 2000000 de km). En troisième lieu, les masses devaient être réduites au maximum (on envisageait un gramme pour chaque sonde et un gramme pour chaque voile) afin de répondre avec le plus de réactivité possible à l’impulsion (inertie minimum). En quatrième lieu, il fallait pouvoir faire face à l’accélération qui au-delà d’un certain nombre de ‘g’ rend très difficile la résistance de la structure des sondes.

Je développe ci-dessous le problème de la résistance de la structure des sondes à l’impulsion et celui des besoins en énergie car c’est sur eux que le projet a ‘achoppé’.

Premier point, la résistance de la structure à l’accélération.

Pour atteindre une vitesse égale à 20% de celle de la lumière (60.000 km/s) avant d’atteindre la limite de distance de 2.000.000 de km, il fallait que les microsondes coordonnées entre elles, soient accélérées aussi vite que possible (entre 10.000 g et 20.000 g), l’impulsion laser ne pouvant durer que 10 minutes (après ces 10 minutes la possibilité d’augmenter la vitesse est terminée). 20% de la vitesse de la lumière est un minimum puisqu’à cette vitesse, le système de Proxima Centauri n’aurait été atteint qu’après 21 ½ ans (et les données transmises à la vitesse de la lumière reçues sur Terre après 26 ans (21 ½ plus 4,23 années-lumière). On peut envisager des sondes robustes, surtout lorsqu’elles sont miniaturisées. Mais il y a des limites. Quid de la résistance de la voile à la chaleur du laser (la réflexion devrait être de 99,9% pour qu’elle ne fonde pas !), quid de la liaison de la sonde à sa micro-voile ultrafine (la compacité est capitale) et quid de la possibilité que les équipements embarqués restent fonctionnels malgré l’effort. Plus précisément, pour résister à l’impulsion, la voile devrait outre bénéficier d’une réflectivité quasi parfaite, avoir une forme conique pour mieux résister au choc de l’impulsion initiale. La sonde, elle, devrait être extrêmement compacte et monolithique (les 10.000 g à 20.000 g appuieraient sur chaque gramme de la sonde avec une force de 10 à 20 kg). Les circuits électroniques, caméras, et systèmes de communication miniaturisés devraient être conçus avec des structures extrêmement robustes, sans pièces mobiles ni composants fragiles.

Second point, l’importance de l’énergie nécessaire.

Obtenir 100 GW de puissance et les utiliser sur 10 minutes n’est pas facile. Pour obtenir une vitesse de 20% de c pour les sondes, Il faut en effet non seulement disposer de cette puissance mais l’utiliser à plein pendant 10 minutes, sinon on n’attendrait jamais la vitesse requise.

Cependant 100 GW correspondent à 3,3% de la puissance installée mondiale ou à celle de 70 centrales nucléaires moyennes. La seule possibilité de l’obtenir est donc l’accumulation suivie d’une libération rapide. La solution : construire des centrales (solaires/nucléaires) dédiées, accumuler l’énergie pendant des heures ou des jours, la libérer via des condensateurs géants. Cependant atteindre 60TJ en 10 minutes est un exploit technique inégalé : les condensateurs géants devraient donc être capables de décharges ultra-rapides ; Les conducteurs électriques devraient supporter des courants énormes sans fondre ; La synchronisation des milliers d’émetteurs laser devrait être parfaite ; on devrait dissiper une chaleur colossale.

Architecture envisagée : (1) Réseau de lasers : des milliers d’émetteurs laser individuels (1-10 MW chacun), répartis sur plusieurs km² (désert d’Atacama envisagé), synchronisés par ordinateur pour former un faisceau cohérent ; (2) Alimentation électrique : ferme solaire géante de plusieurs dizaines de km² ; système de stockage tampon (condensateurs, batteries !) ; convertisseurs DC/AC ultrapuissants ; (3) Refroidissement : tours de refroidissement massives, systèmes de dissipation thermique.

En résumé : on aurait besoin de la plus grande infrastructure laser jamais construite ; de masses énormes de batteries (à 200 Wh/kg, batteries lithium : 83 000 tonnes de batteries !) et de condensateurs aussi extraordinaires ; d’un système de refroidissement ultraperformant. Pas facile !

Si ‘on laisse tomber’ la propulsion laser, y aurait-il une alternative pour aller jusqu’à Proxima ? Puisque nous sommes sur un projet d’exploration robotique, considérons un montant ‘normal’, 300 kg, de charge utile (caméras, spectrographe, autres capteurs, équipement de communication, avec leurs sources d’énergie et leurs protections). Il y a deux modes théoriquement envisageables, le mode fission (actuel) et le mode fusion (possible sans doute ‘demain’). Malheureusement, le mode fission classique (NERVA) avec une ISP de 900 secondes serait totalement insuffisant. Le mode fission non classique et non testé mais théoriquement le plus puissant, Orion (explosions successives), pourrait permettre d’atteindre 3 à 5% de c mais certainement pas 20%. Le mode fusion (deutérium/tritium) pourrait permettre d’atteindre les 10% et peut-être un petit peu plus mais les moyens nécessaires seraient prohibitifs : claude.ai estime que ~88 000 tonnes de deutérium/tritium seraient nécessaires pour atteindre 0,2c avec 300 kg de charge utile, et il faudrait en plus un propergol expulsable pour générer la propulsion. Avec un ratio propergol/combustible de ~1:1, il faudrait ajouter 70 000-80 000 tonnes de propergol au 88.000 tonnes déjà mentionnées pour l’énergie. On voit bien que la masse au départ, sans compter la structure du vaisseau, les réacteurs, les boucliers… rend le projet impossible.

Avec les moyens technologiques actuels, l’exploration robotique du système stellaire le plus proche de notre propre système solaire ne peut donc être envisagée que comme avaient espéré pouvoir le faire les promoteurs de Breakthrough Starshot. On a bien vu qu’on atteint l’extrême limite de ce qui est faisable, mais c’est la seule solution qui n’est pas nettement au-delà de cette limite. Il faudra donc la reprendre un jour. Cela sous-entend aussi que pour l’exploration par l’astronautique, nous devons pour le moment (jusqu’à un progrès technologique aujourd’hui du domaine de la science-fiction) nous contenter de notre système solaire. Chaque chose en son temps !

NB : les chiffres d’accélération, de masse et d’énergie ont été obtenus dans le cadre d’une suite d’échanges avec l’intelligence artificielle claude.ai.

Illustration de titre : La grosse étoile jaune est l’addition des lumières provenant d’Alpha Centauri A et d’Alpha Centauri B. A droite on aperçoit la naine rouge, Alpha Centauri C, c’est-à-dire Proxima Centauri. Source : Digitized Sky Survey 2/ Davide De Martin/Mahdi Zamani/ESO.

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