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 Thème et variations sur les voyages interstellaires

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lambda0
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MessageSujet: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mar 31 Jan 2006 - 13:43

Je reprends ici une discussion amorcée sur un autre forum, avec quelques autres personnes, concernant les conditions de faisabilité des voyages interstellaires.


Préambule

Les étoiles !
Quel passionné de l'aventure humaine n'a jamais levé les yeux vers ces points lumineux ponctuant la voute céleste en se demandant jusqu'où irait l'humanité, partie il y a trois millions d'année d'une vallée africaine ?
Cependant, alors que les vols interplanétaires sont à portée de main, dans vingt, cinquante ou cent ans, après la voie ouverte par l'épopée d'Apollo, le vol interstellaire semble toujours inconcevable, chimérique, tant les distances à parcourir défient l'imagination et rendent dérisoires nos technologies les plus avancées.
Nul ne peut dire si l'Homme ira un jour vers les étoiles, ni quand : dans quelques siècles, quelques millénaires, ...ou jamais tant le défi parait insurmontable, mais aussi tant sont grands les périls qui guettent la civilisation.
Sujet incongru, le plus spéculatif qui soit pour les passionnés de conquête spatiale, alors que nos lourdes fusées peinent à placer en orbite terrestre quelques tonnes, ou qu'il semble acquis que nous ne marcherons pas sur Mars avant au moins 20 ans.
Et pourtant : quand Konstantin Tsiolkovski écrivait les équations de l'astronautique au début du 20ème siècle, les premiers aéroplanes fauchaient les marguerites mais faisaient déjà mentir ces savants qui estimaient que plus lourd que l'air ne pouvait voler.
Soixante ans plus tard, une fusée de 3000 tonnes emportait Apollo vers la Lune, et dans le même temps, le vol supersonique commercial devenait réalité...

Le but des développements qui suivent n'est pas de prédire l'avenir, de définir des échéances, mais d'examiner les conditions de faisabilité des voyages interstellaires humains du point de vue du scientifique et de l'ingénieur en se basant sur les connaissances actuelles.

Hypothèses de travail
1. Objectifs
Il s'agit d'évaluer les principaux paramètres physiques d'un vaisseau interstellaire, capable d'emporter des passagers humains sur une distance de quelques dizaines d'années-lumière.

L'étude doit être basée sur des principes physiques connus.
Les extrapolations technologiques doivent dériver de technologies existantes, embryonnaires, ou à défaut physiquement concevables.
Celà exclut en particulier des principes de propulsion basés sur des spéculations de physique théorique (ex: distorseur d'Alcubierre, propulsion Heim-Droescher,...).

2. Périmètre
L'étude concerne l'évaluation de problèmes d'ingénierie (mécanique, thermique, propulsion,...) tout en restant assez générique et en extrapolant raisonnablement les progrès qui peuvent être faits dans ces domaines.
On peut éventuellement aborder des questions de psychologie, sociologie, relatives à la vie d'une communauté dans un environnement semi-artificiel sur des durées de plusieurs siècles.

1.3. Echelle de temps et prérequis
La faisabilité n'est pas envisagée pour un avenir défini.
On peut cependant définir quelques prérequis probablement indispensables pour qu'une telle entreprise soit viable :
- maitrise de l'énergie de fusion contrôlée
- vols interplanétaires rapides à travers le système solaire
- avoir envoyé des sondes interstellaires automatiques dans un rayon de 20 a.l
- colonisation d'une ou plusieurs planètes du système solaire et accès à toutes les ressources énergétiques et minérales
- contrôle environnemental, biologie et génétique avancée
- techniques de méga-ingénierie permettant la construction de structures spatiales multikilométriques de plusieurs Gt

(à suivre)


Dernière édition par le Mar 31 Jan 2006 - 13:46, édité 1 fois
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lambda0
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mar 31 Jan 2006 - 13:44

Quelques données physiques
c = 300000 km/s (vitesse de la lumière)
1 UA = 150e6 km (unité astronomique)
1 a.l. = 9461e9 km = 63072 UA (année-lumière)

Quelques étoiles proches :
Alpha Centauri : 4.3 a.l.
Etoile de Barnard : 6 a.l.
Sirius : 8.6 a.l.
Epsilon Eridani : 10.4 a.l.
Tau Ceti : 11.8 a.l.

Une distance de 10 a.l représente plus de 630000 fois la distance de la Terre au soleil et presque 24 millions de fois la distance Terre-Lune.

Pour accélérer une masse de 1 kg à 1/1000 de la vitesse de la lumière, soit 300 km/s, et atteindre Alpha Centauri en 4300 ans au moyen d'une propulsion chimique utilisant LH2/LO2, la masse de propergol requise serait de 9e28 kg, soit 15000 fois la masse de la Terre.


Antériorités et bibliographie

La question du vol interstellaire a été abordée d'un point de vue théorique dès les années 60 et quelques études ont été réalisées, concernant essentiellement des sondes automatiques.
La NASA et le JPL mènent actuellement, en collaboration avec des universités, des études amont sur des systèmes de propulsion adaptés à une sonde interstellaire.

Généralités :
http://www.planetary.org/interstellar/forward.html
http://www.centauri-dreams.org/

Sur le projet Daedalus :
http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Daedalus
http://www.daviddarling.info/encyclopedia/D/Daedalus.html

Sur le projet Orion :
http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Orion

Textes techniques :
[3] "AIMStar: Antimatter initiated microfusion for precursor interstellar missions", R.Lewis, Laboratory for Elementary particles science, dpt of physics, Pennsylvania State University
http://www.engr.psu.edu/antimatter/Papers/AIMStar_99.pdf
[4] "Antiproton-catalized microfission/fusion propulsion systems for exploration of the outer solar system and beyond", G.Gaidos,Laboratory for Elementary particles science, dpt of physics, Pennsylvania State University
http://www.engr.psu.edu/antimatter/Papers/ICAN.pdf
[7] "Antimatter production for near term propulsion applications", NASA Marshall Space Flight Center
http://www.engr.psu.edu/antimatter/Papers/NASA_anti.pdf
[12] "Propulsion for interstallar space exploration", G.Genta, Mechanics dpt, Politecnico di Torino, Italy
http://www.giancarlogenta.it/cospar.pdf

Divers :
Quelques idées amusantes sur la sociologie et le sexe à bord d'un vaisseau spatial
http://www.space.com/scienceastronomy/generalscience/star_voyage_020319-1.html


A suivre...
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Alpha




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mar 31 Jan 2006 - 21:38

Quand on regarde les distances a franchir en tenant compte de nos connaissance actuel, il semble que nous ne pourrons jamais sortir de notre système solaire.

Cependant, l'incorrigible rêveur que suis est convaincu que nous recevons actuellement de la visite extraterrestre. Le jour où nous aurons acquis une technologie semblable a la leur, nous serons en mesure d'accepté leur invitations et allé leur dire bonjour chez eux.

Ce n'est pas pour demain, mais ce jour viendras et cela est une certitude.
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mar 31 Jan 2006 - 21:42

Suis assez d'accord et réveur aussi
Je réve au jour ou nous apprendrons l'existence des Extras-terrestres !! Avec plein de détails j'espere
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Space Opera
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mar 31 Jan 2006 - 23:07

A l'instat de Goddard qui était convaincu qu'il avait sous les yeux la technologie qui permettait d'aller dans l'espace à une époque où les avions, comme le dit Lambda0, "volaient au ras des paquerettes", il se peut qu'aujourd'hui nous ayons des théories ( cf le topic sur les théories de Heim par exemple ) qui pourront nous permettre dans des temps "raisonnables" ( moins de 150 ans ) de réaliser des prouesses dans le voyage interstellaire.
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lambda0
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mer 1 Fév 2006 - 8:27

Bonjour

Justement, le but est de voir ce que permettrait de faire la physique connue.
Par exemple, la fusion nucléaire, ou l'antimatière, sont considérées comme de la physique connue. Celà ne signifie pas qu'on maitrise les technologies associées, mais il est concevable qu'on arrive à construire un jour un moteur à fusion : il y a eu des recherches dans ce sens, et on commence à avoir quelques idées sur ce à quoi pourrait ressembler un tel moteur.
On sait réaliser la fusion en laboratoire, on a aussi déjà fabriqué de l'antimatière, en quantités infinitésimales, et les quelques références données plus haut montrent qu'il est concevable d'utiliser ces phénomènes physiques pour le vol interstellaire.

On peut essayer d'extrapoler sur l'ingénierie, par contre, on ne peut pas anticiper des découvertes en physique fondamentale, et il est bien probable que la théorie de Heim ne corresponde à rien de physique. C'est pour celà que j'ai fixé cette limite à l'exercice.

Mais le mieux est d'essayer de chiffrer tout ça.

Les distances considérées sont de l'ordre de quelques dizaines d'années-lumière.
Pour être parcourue en quelques siècles ou millénaires, il est nécessaire d'atteindre des vitesses supérieures à 1% de la vitesse de la lumière, soit v>3000 km/s.

Cet ordre de grandeur permet de faire les simplifications suivantes :
- Le temps nécessaire pour quitter le système solaire est considéré comme négligeable devant la durée du voyage
- On peut néanmoins négliger tout effet de dérive galactique, ainsi que le mouvement propre des étoiles

Dans ces conditions, la trajectoire sera assimilée à une droite, ce qui simplifie beaucoup les calculs par rapport aux vols à l'intérieur du système solaire.

D'autre part, la trajectoire du vaisseau peut se décomposer en trois phases :
- Accélération depuis l'arrêt
- Vol libre
- Décélération et arrêt

Remarque: les projets de sondes automatiques concernent assez souvent des survols, la sonde accélère, et passe près de l'étoile cible à grande vitesse sans se satelliser, ce qui permet de raccourcir le temps de vol

Le vaisseau étant supposé propulsé par réaction, la formule de Tsiolkovski permet d'exprimer la masse en fonction du temps :
M(t) = M0.exp(-v(t)/ve)
Avec :
M0 = masse initiale
v = vitesse du vaisseau
ve = vitesse d'éjection

Etant donnée la vitesse à atteindre, la masse de réaction à emporter est d'autant plus faible que la vitesse d'éjection est élevée.
Si on note M1 la masse finale, et v1 la vitesse maximale atteinte, on a, compte tenue de la décélération :
M1 = M0.exp(-2.v1/ve)

Pour que le rapport M0/M1 garde des valeurs raisonnables, on voit que la vitesse d'éjection ne doit pas être trop inférieure à la vitesse maximale recherchée. Le système de propulsion d'un vaisseau interstellaire doit donc expulser la masse de réaction à des vitesses de plusieurs milliers de km/s, de qui correspond à des Isp supérieures à 10^5 s.

La différence M0-M1 ne constitue pas la charge utile seule : elle inclut la masse du système de propulsion, fonction de la puissance, et donc de la poussée.
On peut considérer deux cas extrêmes :
1: la vitesse maximale est atteinte en un temps négligeable devant le temps de vol, ce qui minimise le temps de vol. Par contre, ce scénario requiert la poussée la plus importante, ce qui maximise la masse du système de propulsion, et réduit la charge utile, à M0 fixé
2: la phase de vol libre est réduite à zéro, le vaisseau accélére jusqu'à v1 et décélère directement, ce qui conduit à un temps de vol plus important, mais minimise la masse du système de propulsion, et maximise la charge utile à M0 fixée

Un système de propulsion sera caractérisé par les paramètres suivants :
- Impulsion spécifique (vitesse d'éjection), en m/s
- Puissance spécifique, en W/kg

Pour les simulations, on définira les paramètres suivants :
Ms = masse sèche
Mp = masse de réaction
Mm = masse du système de propulsion
Mu = charge utile
M0 = masse totale initiale
Soit :
Ms = Mu+Mm
M0 = Ms+Mp
On définit : k = Mp/M0 = Mp/(Mp+Ms)
r = rendement du système de propulsion

On note également :
D = distance totale à parcourir
Da = distance accélération+décélération
Dl = distance de vol libre

Dans ces conditions, on peut calculer le temps d'accélération et le temps de vol en fonction des paramètres qui précèdent.
On pose :
q = 2*(1-Sqrt(1-k))/k-1
v1 = -r.ve/2.Ln(1-k)
Ta = Da/(r.q.ve)
Tl = Dl/v1
T = Ta+Tl
On calculera également l'accélération en début et en fin de voyage en fonction de la puissance de la propulsion.

Ces calculs supposent une propulsion par réaction mais ne font pas d'hypothèse sur la technologie particulière utilisée.
Ils ne s'appliquent pas au cas des systèmes de propulsion n'emportant pas la masse de réaction, comme par exemple :
- le voilier photonique
- le ramjet interstellaire de Bussard, et variantes

Exemple d'application numérique:
ve=20000 km/s
r=0.6
k=0.9
D=10 a.l.
Da=5 a.l.
=>
v1=13816 km/s
Ta=241 ans
Tl=109 ans
T=349 ans

Un système de propulsion éjectant la masse de réaction à 20000 km/s et accélérant/décélérant sur 5 a.l. permet de parcourir 10 a.l. en 349 ans, en considérant un rapport de masse k=0.9 et un rendement de propulsion r=0.6

Ces ordres de grandeurs justifient :
- la nécessité d'une propulsion à très haute impulsion spécifique
- une architecture et aménagement de vaisseau adapté à un voyage de plusieurs siècles

A+
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Space Opera
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mer 1 Fév 2006 - 9:00

A ce moment là, n'est-il pas plus judicieux de considérer que d'ici 349, une nouvelle technologie et une nouvelle physique complètement révolutionnaire feront leur apparition et nous permettrait d'arriver en définitive avant le vaisseau à destination ?
On peut alors dire que partant comme ça, on ne ferait jamais rien; c'est exact seulement si le temps de voyage et de plusieurs ordres de grandeurs supérieurs à une ère de révolution scientifique et industrielle. Même si 349 ans est raisonnable pour un voyage de la sorte, j'espère tout de même que d'ici 3 siècle et demi, au vu de nos connaissances actuelles, nous maitriserions au moins par exemple la téléportation ( on avance à c ! ), ou d'autres notions qui nous échappent aujourd'hui.
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mer 1 Fév 2006 - 9:15

Très juste ! On suppose implicitement qu'on ne fera plus de découverte physique fondamentale de nature à changer les données du problème de la propulsion, de façon à considérer essentiellement un problème d'ingénierie avancée et de recherche appliquée.
Mais ce n'est qu'une hypothèse de travail.
Si la propulsion de Heim correspond à quelque chose (par exemple), tout ce qui précède devient évidemment caduque.
Mais il faut considérer que le progrès scientifique et technique n'est pas linéaire : à des périodes révolutionnaires succèdent des phases de stagnation relative, et on adopte ici un scénario finalement assez conservateur, ce qui peut se justifier par le fait que la physique théorique semble un peu marquer le pas : on se débat depuis 30 ans dans la théorie des cordes, sans évidence d'une réalité expérimentale, il faut construire des accélérateurs de particules de plus en plus grands pour valider la moindre prévision du modèle standard et on arrive aux limites physiques.

Par contre, du point de vue de l'ingénierie, on en a pour des siècles a exploiter toute la physique découverte au 20ème siècle.

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Henri
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mer 1 Fév 2006 - 23:43

Compte tenu des remarques précédentes, je pense qu'il ne faut pas procéder à des extrapolations sur des développements technologiques et des durées de voyages de plus de 30 ans à 60 ans. Tous les 60 à 100 ans, il y a de nouvelles percées théoriques fondamentales, certaines nécessitent des siècles pour avoir des applications technologiques, mais d'autres n'ont besoins que de quelques décennies...

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Alpha2
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Jeu 2 Fév 2006 - 0:19

En effet, il pourrait devenir ridicule d'envoyé au loin (voyage de 100 ans) une sonde qui risque de se faire dépassé par des astronefs terrien 1000 fois plus rapide après 75 ans de parcour de celle ci.

Le meilleur moyen de d'amélioré nos techniques d'exploration spatial est de poursuivre l'exploration de notre système solaire et ses environs.
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lambda0
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Jeu 2 Fév 2006 - 8:36

Il me semble justement difficile d'anticiper des percées théoriques fondamentales, dans le sens d'une révolution de la physique comme il s'en est produit au début du 20ème siècle.

Par contre, on a déjà les idées qui permettraient peut-être de lancer des sondes interstellaires de survol à 10% de la vitesse de la lumière, peut-être dans le courant de ce siècle. Ce qui permettrait de survoler des étoiles proches en des temps de l'ordre d'un siècle. Il s'agirait évidemment d'engins automatiques, de quelques dizaines à quelques centaines de kg de charge utile.

En ce qui concerne la durée de telles missions, on peut remarquer que :
- Dans les années 1970, on savait déjà construire des sondes suffisamment fiables pour fonctionner 30 ans (Pioneer, Voyager...)
- On a une expérience de suivi de sondes sur plusieurs décennies

Sans parler de fusion ou d'antimatière, le concept de voilier photonique semble assez intéressant.

Ce qu'en dit wiki :
http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail

Un peu plus technique :
http://www.niac.usra.edu/files/library/meetings/annual/mar99/4Landis.pdf

Dans le principe :
Un laser construit en orbite terrestre éclaire une voile réfléchissante portant la sonde. La voile est donc accélérée par la pression de radiation. On peut montrer qu'un faisceau laser de 10 à 20 GW permettrait d'accélérer une voile d'environ 1 km² portant une sonde de quelques dizaines de kg jusqu'à 10% de la vitesse de la lumière en quelques semaines.
Cette sonde croiserait donc Alpha Centauri en environ 50 ans.
La source d'énergie du laser peut être une centrale solaire en orbite, ou un générateur nucléaire. Il faut d'autre part construire une lentille de mise en forme du faisceau, de dimensions assez importantes.
Ce système n'utilise pas de technologies trop exotiques.
Par contre, il nécessite de monter en orbite des masses assez importantes, correspond à la centrale énergétique et à la lentille de focalisation : de 20000t à 50000t.
Celà excède de loin nos capacités de lancement actuelles mais devient crédible si on peut diviser par 50 ou 100 le coût du kg en orbite.
Au niveau du laser, un paramètre important est la cohérence du faisceau, qui peut être obtenue en utilisant un seul faisceau de puissance (potentiellement, un laser à électrons libres), ou par des matrices de diodes lasers synchronisées.

Autre intérêt par rapport à d'autres concepts : cette construction correspond à un investissement qui reste en place et permet ensuite de lancer de nombreuses sondes à un coût minimum. On peut donc compenser la faible masse des sondes par une redondance importante : en lançant par exemple une dizaine de sondes à quelques semaines d'intervalle vers une étoile donnée.
Ce système permettrait également de lancer des charges vers le systèmes solaires extérieur à des vitesses plus faibles.

La faisabilité des vols interstellaires humains n'est pas acquise, par contre, la construction de sondes de survol pouvant atteindre d'autres étoiles en des temps raisonnables ne semble pas inabordable à l'échelle d'un siècle.

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Argyre




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Jeu 2 Fév 2006 - 10:15

Bonjour,

je reprend ce vieux fil qui m'intéresse ...
lambda0 a écrit:
Il me semble justement difficile d'anticiper des percées théoriques fondamentales, dans le sens d'une révolution de la physique comme il s'en est produit au début du 20ème siècle.
Je suis pleinement d'accord. En vérité, il y a quelques raisons de penser que dans certains domaines, nous avons atteint les limites de nos connaissances fondamentales, avec pour conséquences des limites technologiques infranchissables.
On peut noter par exemple que la technologie des moteurs de fusée n'a pas beaucoup évolué en 50 ans, alors que dans d'autres domaines, il y a eu des révolutions technologiques. Et ce n'est pas faute d'avoir imaginé et investi de l'argent ! Il y a cependant des limites à la physique, parce que celle-ci est régulée par des lois et qu'on ne peut pas passer outre ces lois, tout simplement.
Il faut donc faire très attention quand on dit qu'il suffit d'attendre un siècle ou 2 pour qu'une solution soit trouvée, il se pourrait qu'elle ne vienne jamais !

Ceci étant dit, je voudrais revenir sur tes chiffres Lambda0.
Si on avait ve=200000 km/s, soit un facteur 10 au-dessus de ton hypothèse de travail, qu'est-ce que ça donnerait ? Pour obtenir une telle valeur de ve, il faudrait disposer de beaucoup d'énergie et d'une masse importante pour le moteur. Des valeurs plus faibles de k pourraient donc être envisagées. Néanmoins, en quelle mesure cette valeur de k serait-elle plus faible ?
Et de telles valeurs de ve permettent-elles d'éjecter un flux de matière suffisant ?
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lambda0
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Jeu 2 Fév 2006 - 10:43

Salut

Dans le cas d'une propulsion fonctionnant par éjection de matière (donc pas le voilier photonique), j'ai considéré cette valeur de ve=20000 km/s parce que celà correspond à ce que l'on peut théoriquement obtenir de la fusion nucléaire, en ordre de grandeur.
Il faut voir que la puissance requise augmente comme le carré de la vitesse, donc pour éjecter des particules à 200000 km/s, il faut 100 fois plus d'énergie, et la seule source d'énergie concevable est alors l'annihilation de l'antimatière.

Il existe une dizaine de concepts de moteurs à antimatière, mais un seul permettant de produire un faisceau de propulsion de 200000 km/s : le moteur dit "beam core" décrit dans le document suivant.
http://www.engr.psu.edu/antimatter/Papers/NASA_anti.pdf
En gros : la réaction p+pbar produit des particules chargées, des pions puis des muons, qui ont une durée de vie suffisante pour produire une poussée par réaction contre un champ magnétique (tuyère magnétique).

Cependant, en plus de problèmes techniques apparemment insolubles, ce moteur nécessiterait des quantités énormes d'antimatière (des tonnes !), sous la forme d'antiprotons, et il n'y a aucune indication qu'on soit capable d'en fabriquer un jour de telles quantités.

Par contre, la fusion nucléaire semble plus abordable. On la réalise en laboratoire, il y a déjà eu des recherches assez avancée même sur la propulsion par fusion. La fusion en confinement inertiel (par exemple) est particulièrement intéressante.

Sur le flux de matière : de telles vitesses d'éjection impliquent en effet des poussées très faibles, et des distances d'accélération de plusieurs années-lumières, à moins de surdimensionner les moteurs, ce qui se fait au détriment de la charge utile...
Ces propulsions sont aussi assez inadaptées pour se déplacer à l'intérieur d'un système planétaire dans des champs gravitationnels trop forts.

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Henri
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Jeu 2 Fév 2006 - 15:11

Argyre a écrit:
Bonjour,

je reprend ce vieux fil qui m'intéresse ...
lambda0 a écrit:
Il me semble justement difficile d'anticiper des percées théoriques fondamentales, dans le sens d'une révolution de la physique comme il s'en est produit au début du 20ème siècle.
Je suis pleinement d'accord. En vérité, il y a quelques raisons de penser que dans certains domaines, nous avons atteint les limites de nos connaissances fondamentales, avec pour conséquences des limites technologiques infranchissables.
On peut noter par exemple que la technologie des moteurs de fusée n'a pas beaucoup évolué en 50 ans, alors que dans d'autres domaines, il y a eu des révolutions technologiques. Et ce n'est pas faute d'avoir imaginé et investi de l'argent ! Il y a cependant des limites à la physique, parce que celle-ci est régulée par des lois et qu'on ne peut pas passer outre ces lois, tout simplement.
Il faut donc faire très attention quand on dit qu'il suffit d'attendre un siècle ou 2 pour qu'une solution soit trouvée, il se pourrait qu'elle ne vienne jamais !
Je partagais cette opinion il a 10 ans, depuis j'ai changé d'avis. Il y a ces dernières années un renouveau en physique théorique - encore très spéculatif certe - mais illustré par des centaines de travaux dont regorge ArXiv.org qui ont tous en commun l'introduction de modèles de dimensionnalités supérieures à celles de la RG. Le modèle standart commence de plus en plus à ressembler aux épicycles et déférents de Ptolémée. Et surtout commencent à poindre du nez des expériences et observations (pas seulement des "expériences de la pensée") qui nécessitent une véritable révolution de la physique, en vrac : (et en anglais)
- Universe's Dark Energy
- Galactic Dark Matter
- Violation of the Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) Cut-off @ 6x10e19 eV or LambdaGZK=2x10e-26 m >> LambdaPlanck
- Pioneer's Anomaly
- Tate's anomaly for the Cooper pair mass
- Cosmological Horizon Problem

Pour mémoire toutes les grandes révolutions dans les domaines scientifiques et technologiques ont été en général totalement imprévue. Rappellons que vers la fin du XIXème siècle la physique croyait avoir tout découvert à part un ou deux petits problèmes (comme le corps noir par exemple) et quelques décimales. On déconseillait même aux étudiants de s'engager dans la discipline, mais depuis... Dans les années 30 un pannel de scientifiques convoqués par la Maison Blanche n'a rien vu venir (ni énergie nucléaire, ni radar, ni calculateurs électroniques). Quand à la stagnation technologique du moteur fusée, on pourait dire la même chose pour les aérostats.

Enfin comme dit le proverbe, on a vu des théories s'effondrer face à une expérience, mais jamais l'inverse...

Rajout : J'ai mis en ligne quelques documents utiles à ce sujet à :
http://minilien.com/?by6xycYu2B

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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Jeu 2 Fév 2006 - 15:44

On se rend compte en effet que ce modèle standard devient de plus en plus biscornu, et que de nombreux problèmes résistent, aussi bien en physique des particules qu'en cosmologie.
Mais celà ne signifie pas qu'on est sur le point de trouver.
La théorie des cordes occupe des milliers de physiciens depuis 30 ans, et je sentais plutôt poindre un certain désespoir.
Pareil en cosmologie où on raffine à l'infini le modèle cosmologique standard.
Pour l'étape suivante, on a le choix entre des milliers de modèles d'univers inflatoire, et des milliards de versions de la théorie M...
Quand bien même une de ces théories serait correcte, il faudrait encore qu'elle puisse changer les données de notre problème. Pour une théorie de Heim qui nous ouvrirait la porte des étoiles, il y a cent théories possibles qui confirment que la vitesse de la lumière est une limite absolue avec laquelle on ne peut pas tricher.

Pour anecdote: j'ai essayé de discuter de la théorie de Heim avec des théoriciens, pour savoir ce qu'ils en pensaient. Ils m'ont un peu envoyer promener après y avoir jeté (peut-être) un coup d'oeil superficiel, et le fait que cette théorie soit testable, contrairement aux cordes, ne semble intéresser personne.
Autre exemple symptomatique : je croyais avoir compris que le but du LHC était de faire apparaitre le boson de Higgs, une des pierres angulaires manquantes du modèle standard, qui en aurait été une confirmation éclatante. Et voici qu'apparaissent des versions du modèle dans lesquelles le Higgs n'existe pas...
Alors, compter sur la physique théorique... On peut aussi bien patauger pendant 300 ans.

Par contre, la fusion, ou l'antimatière, ça existe, ça a été démontré en laboratoire, et on retombe sur de la recherche appliquée et des problèmes d'ingénierie.

A+

EDIT: merci pour ces quelques documents que je me hate de télécharger Very Happy
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Argyre




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Jeu 2 Fév 2006 - 17:20

Bonjour,

lambda0 a écrit:
Il faut voir que la puissance requise augmente comme le carré de la vitesse, donc pour éjecter des particules à 200000 km/s, il faut 100 fois plus d'énergie, et la seule source d'énergie concevable est alors l'annihilation de l'antimatière.
Attention, il me semble que tu mélanges puissance et énergie. Pour arriver à 200000 km/s, il faut une certaine puissance qui implique une certaine quantité d'énergie par seconde. Le dispositif qui permet d'obtenir de la puissance est une chose, celui qui permet de stocker de l'énergie en est une autre. A priori, je ne vois pas de lien direct entre les 2. D'un point de vue purement théorique par exemple, on peut brûler du charbon pour obtenir autant d'énergie que souhaité (sous forme électrique par exemple) qui sera exploité avec un certain rendement par un moteur qui permet d'obtenir une certaine puissance d'éjection.
Il faudrait donc dissocier les problèmes :
1) Quel poids pour quel moteur pour atteindre 200000 km/s de Ve ?
2) Quelle puissance du moteur pour en déduire l'énergie à stocker et sous quelle forme ?
A moins que les contraintes sur l'énergie à stocker conduisent inévitablement à l'anti-matière ?

lambda0 a écrit:

Sur le flux de matière : de telles vitesses d'éjection impliquent en effet des poussées très faibles, et des distances d'accélération de plusieurs années-lumières, à moins de surdimensionner les moteurs, ce qui se fait au détriment de la charge utile...
Ces propulsions sont aussi assez inadaptées pour se déplacer à l'intérieur d'un système planétaire dans des champs gravitationnels trop forts.
Oui, c'est effectivement ma crainte, mais peut-on le quantifier (et posons l'hypothèse qu'on sort du système solaire avec V0=100km/s par exemple) ?
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Jeu 2 Fév 2006 - 17:57

Salut

Je pensais seulement à l'énergie cinétique des particules.
On considère bien la puissance du faisceau de propulsion, reliée à la vitesse d'éjection et au débit, à un rendement près.
Mais en dernière analyse, le paramètre important est bien l'énergie stockée par unité de masse de réactif.
On peut bien brûler du charbon pour accélérer des particules à 200000 km/s, mais il en faudra un peu plus que de combustible nucléaire parce que la densité énergétique est bien plus faible, et du coup, il en résultera une accélération bien plus faible pour la même poussée. Ou dit autrement : en brulant 1 kg de charbon, on n'obtient pas assez d'énergie pour accélérer à 200000 km/s la totalité de la masse des produits de combustion.
Mais c'est vrai que ma phrase portait un peu à confusion, j'ai fais un raccourci un peu rapide : j'entendais par là qu'on a globalement besoin d'une source d'énergie d'une densité 100 fois supérieure, ce qui mène à l'annihilation d'antimatière.
J'ai quand même vu récemment un concept de réacteur à fusion inertielle qui pourrait produire un faisceau de propulsion à 50000 km/s, mais il semble que ce soit vraiment l'extrême limite, sans utiliser de source d'énergie autre que celle contenue dans le réactif, évidemment.

Par ailleurs, tu as raison d'insister sur la masse du système de propulsion : c'est souvent le paramètre qui est oublié dans certaines analyses sommaires basées uniquement sur la formule de Tsiolkovski.
Si tu reprends par exemple le pdf que j'ai donné sur la production d'antimatière, ce paramètre n'est absolument pas pris en compte, alors que ça change totalement le résultat.
Dans mon message du 1/2, 8h37, j'intègre bien la masse du système de propulsion dans le modèle, et au premier ordre, le système de propulsion est caractérisé par son impulsion spécifique, et sa puissance spécifique.

Le temps de mettre en forme quelques chiffres pour fixer les idées, et je reviens.

A+
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Argyre




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Jeu 2 Fév 2006 - 21:04

lambda0 a écrit:
Mais en dernière analyse, le paramètre important est bien l'énergie stockée par unité de masse de réactif.
Pas tout à fait me semble t-il, parce qu'en dissociant le système énergétique du système propulsif, on peut envisager toutes les techniques possibles pour récupérer de l'énergie spatiale et la transformer en électricité par exemple.
Sauf que les quantités à récupérer sont peut-être bien trop négligeables, même sur une période de plusieurs dizaines d'années ?

Cordialement,
Argyre
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Ven 3 Fév 2006 - 0:05

Vos exposé successifs mon rapidement largué, mais vous avez également égratigné au passage une croyance que je détenais de mes cours de physique. Je croyais que dans le vide sidéral sans influence gravitationnel, la vitesse final étais défini par la quantité de matières éjecté, et l'accélération était tributaire du temps utilisé pour éjecté la totalité de la matière prévu à la propulsion.

Je crois comprendre de vos texte que la vitesse des éjectats défini la vitesse du propulseur. À L' AIDE !
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Ven 3 Fév 2006 - 8:57

Argyre a écrit:
lambda0 a écrit:
Mais en dernière analyse, le paramètre important est bien l'énergie stockée par unité de masse de réactif.
Pas tout à fait me semble t-il, parce qu'en dissociant le système énergétique du système propulsif, on peut envisager toutes les techniques possibles pour récupérer de l'énergie spatiale et la transformer en électricité par exemple.
Sauf que les quantités à récupérer sont peut-être bien trop négligeables, même sur une période de plusieurs dizaines d'années ?

C'est bien la conclusion à laquelle on arrive : pour que le vol interstellaire devienne praticable, la source d'énergie et/ou la masse de réaction doivent provenir de l'extérieur.
Ce qui mène (pour l'instant) à deux types de systèmes :
- Le voilier photonique, accéléré par un faisceau laser
- Le ramjet de Bussard, utilisant l'hydrogène du milieu interstellaire
http://en.wikipedia.org/wiki/Bussard_ramjet

Si le vaisseau doit tout emporter, il me semble que quelle que soit la façon dont on tourne le problème, il faut plusieurs siècles pour atteindre une étoile proche et s'y satelliser, même si certains systèmes permettent de faire le trajet en moins d'un siècle mais en survol.
Pour montrer aussi l'influence de paramètres comme la poussée, ou la masse de la propulsion, voici un calcul pour un moteur à fusion.
La propulsion est basée sur un réacteur à fusion en confinement inertiel électrostatique (IEC), dû à Bussard.
On considère la réaction p+Li7->2He4+17.4 MeV, produisant une vitesse d'éjection de 20600 km/s.
Le système de propulsion est constitué d'une matrice de réacteurs d'une puissance unitaire de 8 GW et pesant 14t.
On dimensionne le vaisseau pour expédier une sonde d'environ 500t vers Alpha Centauri, sur une distance de 4,4 a.l.
Cette masse semble assez importante, mais il faut considérer qu'à l'arrivée, elle se fractionne en plusieurs sondes autonomes pour explorer chaque planète d'un système. Il faut également prévoir un système de communication adéquat, avec sa source d'énergie.
Ce qui donne :
Vitesse d'éjection : ve=20600 km/s
Puissance de fusion par réacteur : Pf=8 GW
Rendement : r=0,6
Poussée par moteur : F0 = 466 N
Nombre de moteurs : N = 108
Poussée totale : F = 50 kN
Masse sèche : Ms = 2000 t
Masse propulsive : Mp = 18000 t
Masse des moteurs : Mm = 1511 t
Charge utile : Mu = 489 t
k = 0,9
Distance : D = 4,4 a.l.
Distance accélération/décélération : Da = 3 a.l.
Vitesse max : vmax = 14230 km/s
Temps de vol : T = 170 ans

On dispose d'une poussée équivalente à 5t pour accélérer un vaisseau de 20000t au départ, malgré un système de propulsion développant au total près de 500 GW. Le système de propulsion lui-même constitue ici les 3/4 de la masse sèche, ce qui laisse peu de marge pour obtenir une poussée plus importante en rajoutant des moteurs.

Je commence donc plutôt à me documenter sur les concepts de voiliers photoniques, et de ramjet.
L'idée du voilier photonique est assez séduisante pour lancer des sondes légères, mais souffre d'un gros handicap : comment freiner ?
Le Ramjet de Bussard a aussi des limitations, mais il semble que ce soit contournable.

Mon intime conviction, que je n'arrive pas à démontrer, est qu'il doit exister une solution physique conventionnelle pour atteindre une étoile proche et s'y satelliser en moins d'un siècle, peut-être une variante des deux systèmes précédents.

A+
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Ven 3 Fév 2006 - 9:02

Alpha2 a écrit:
Vos exposé successifs mon rapidement largué, mais vous avez également égratigné au passage une croyance que je détenais de mes cours de physique. Je croyais que dans le vide sidéral sans influence gravitationnel, la vitesse final étais défini par la quantité de matières éjecté, et l'accélération était tributaire du temps utilisé pour éjecté la totalité de la matière prévu à la propulsion.

Je crois comprendre de vos texte que la vitesse des éjectats défini la vitesse du propulseur. À L' AIDE !

C'est la formule de Tsiolkovski : M(t)=M0.Exp(-v(t)/ve)
Mais on peut la retourner et écrire : v(t) = -ve.Ln(M(t)/M0)
Si on se fixe un rapport de masse M(t)/M0, la vitesse finale est bien définie par la vitesse d'éjection.
On aurait intérêt à avoir M(t)/M0 le plus petit possible pour arriver à une vitesse maximale, mais il faut considérer que M(t) doit inclure la masse des moteurs : on ne peut donc pas s'approcher autant qu'on veut de 0, et celà se fait au détriment de la charge utile. Et en diminuant la masse des moteurs, on diminue la poussée et on augmente la distance d'accélération, même si on arrive au final à la même vitesse.
Il y a donc des compromis à faire.
Mais sinon, oui, bien sûr, l'accélération est bien reliée au temps mis pour éjecter la masse de réaction. Noter que la poussée étant constante, définie par la puissance des moteurs et la vitesse d'éjection, et la masse diminuant au cours du temps, l'accélération augmente au cours du temps.

A+
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Ven 3 Fév 2006 - 11:08

lambda0 a écrit:
On considère la réaction p+Li7->2He4+17.4 MeV, produisant une vitesse d'éjection de 20600 km/s.
Quid de l'énergie potentielle de toutes formes ?
On pourrait très bien prendre le combustible (avant utilisation) et fabriquer avec un objet détenant une énergie mécanique, qui pourrait donc être récupérée. On pourrait même construire un astéroïde creux artificiel, et exploiter l'énergie gravitationnelle en le faisant écrouler au fur et à mesure.
Je dis un peu n'importe quoi, mais par principe, il faut emmagasier le plus possible d'énergie quelle que soit sa forme.
Cependant, tu me confirmeras peut-être que ce ne sont que des gesticulations de mouches, donc négligeables devant l'ampleur de la demande énergétique ?
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Ven 3 Fév 2006 - 11:35

Pour fixer les idées, l'énergie libérée par les différentes réactions de fusion possibles est en général de l'ordre de 10^14 à 3.10^14 J/kg. Pour l'antimatière, c'est 9.10^16 J/kg.
Difficile de lutter avec ça.
Il y a bien un cas où l'énergie d'effondrement gravitationnel donne des valeurs de cet ordre : l'accrétion d'un trou noir !
Comme il semble qu'on pourrait fabriquer des micro trous noirs dans un accélérateur de particules, l'idée ne me paraissait pas si absurde, et j'avais posé la question il y a quelques mois. Je pensais que celà pouvait être utilisé comme une source d'énergie à partir des rayonnements émis pendant l'accrétion. Maheureusement, ces trous noirs s'évaporent en moins de 10^-26 s...

Dans tous les autres cas, on est très loin des ordres de grandeurs requis.

A+
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Ven 3 Fév 2006 - 13:58

lambda0 a écrit:
Pour fixer les idées, l'énergie libérée par les différentes réactions de fusion possibles est en général de l'ordre de 10^14 à 3.10^14 J/kg. Pour l'antimatière, c'est 9.10^16 J/kg.
Difficile de lutter avec ça.
Oui, c'est bien ce que je craignais.
Encore une chose cependant : à chaque fois on parle d'énergie par kg. Or l'énergie des ondes électromagnétiques n'est pas pesante. Est-ce qu'il n'y aurait pas là une piste à creuser en emprisonnant par exemple des rayons lumineux dans une enceinte (par exemple en les faisant tourner dans un tore) ?
De plus, pourquoi ne pourrait-on pas commencer à accélérer les particules à éjecter, puis on les ferait tourner grâce à un champ magnétique et on ne les libérerait (éjection) que progressivement ? (a priori, ça me semble infaisable, mais bon on est en phase de brainstorming, faut lancer les idées ...)
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Ven 3 Fév 2006 - 14:27

Tiens, pour le stockage de particules accélérés dans un anneau, ça peut se défendre, si elles sont accélérées avant le départ du vaisseau au moyen d'une source d'énergie externe bien sûr.
On est quand même limité vers le haut : aux vitesses relativistes, on perd de l'énergie par rayonnement synchrotron.
D'autre part, la densité spatiale d'énergie est limitée par la charge d'espace : on aurait donc intérêt à utiliser des ions lourds pour limiter ces effets.
D'un autre côté, celà augmente le rayon de gyration et le diamètre de l'anneau.
Pour fixer les idées, si on utilise des protons stocké à 20000 km/s dans l'anneau, on obtient un rayon de gyration de l'ordre de 2 m pour un champ magnétique de 0,1 T.
Ce sont des valeurs raisonnables, et on doit pouvoir utiliser des particules plus lourdes, éventuellement en augmentant le champ. Au point où on en est, on peut bien envisager des anneaux de stockage de plusieurs dizaines ou centaines de mètres.

J'ai bien peur qu'on arrive à une densité spatiale d'énergie assez faible à cause de la charge d'espace, mais je vais quand même essayer de calculer un ordre de grandeur.

A+

EDIT:
En y réfléchissant une minute de plus : il est évident que pour que ce soit intéressant, il faut que les particules soient stockées à une vitesse supérieure à celle qu'on obtiendrait par un processus de fusion, étant donné la masse du dispositif. Il faut donc considérer une vitesse plus élevée, 50000 km/s par exemple, et augmenter d'autant le rayon pour diminuer les pertes par rayonnement synchrotron.
Petit sujet de réflexion pour ce week-end

A lundi...
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