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 Thème et variations sur les voyages interstellaires

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lambda0
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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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Alpha




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Ven 3 Fév 2006 - 23:55

Ma question de départ était maladroite, alors en voici une nouvelle; si un astronaute en SEV de l'ISS se débarasse d'un équipement qui a une masse comparable a la sienne en le projetant dans la direction d'où il arrive. L'équipement fut lancé a 4 Km/hr par rapport a l'astronaute pour ralentir a 27,998 Km/hr et l'astronaute d'accéléré a 28,002 Km/hr.

Dans ce cas l'éjectat est plus lent que le projecteur.

Suis je dans l'erreur???
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Space Opera
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Sam 4 Fév 2006 - 0:07

Tout est une question de point de vue: en terme énergétique, l'objet lancé ( dans un moteur, du gaz ) et celui qui l'a lancé ( = la fusée ) ont tous les 2 "récupéré" leur part d'énergie de l'énergie chimique consommée ( par exemple l'énergie calorique que l'astronaute a utilisé pour lancer l'objet, on a sacrifié de l'energie potentielle ) sous forme d'énergie cinétique.
Pour en revenir à ton exemple: Tu parles de vitesses en km/h par rapport à un observateur terrestre. Or, dans le cas de l' action/réaction étudiée, notre référentiel doit être un point fixe au départ, par exemple l'astronaute avant qu'il ait laché l'objet, qui me semble adapté. Une fois l'objet lancé, s'il est de même masse que l'astronaute lui-même, il pourra par exemple partir de 2 km/h à "gauche" (si je suis ton exemple) pendant que l'astronaute partira à 2 km/h à "droite", nous sommes d'accord. Vu d'ici le phénomène physique est bien compréhensible. On retrouve bien le deltaV de 4 km/h vu depuis ce point fixe (en orbite autour de la Terre à l'endroit de l'astronaute avant qu'il jette son objet) car 2 - (-2) = 4 km/h, ou depuis le référentiel terre: 27002 - 26998 = 4 km/h. Bien sur, il faudrait traduire les "km/h" en joules équivalents pour bien obtenir la conservation de l'énergie dans le système { astronaute, objet }.

Conclusion de ta question: non, les 2 ont gagné de la vitesse,l'éjecta a bien gagné aussi 2 km/h dans ton exemple, mais bon pas de bol pour lui, il a accéléré dans le mauvais sens pour se maintenir sur orbite, d'où le fait que vu du sol on l'ait vu ralentir pendant que l'astronaute accélère. Les 2 ont autant accéléré ! Attention petit rappel: un "freinage" n'est qu'une accélération que tu peux considérer négative, ce qui ne change rien à sa valeur.
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Alpha




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Sam 4 Fév 2006 - 0:35

Je comprend que dans mon exemple la vitesse de l'éjectat est la même que celle du propulseur, car tout est relatif au propulseur, et que si il y a de la variation dans le rapport des masses du propulseur et de l'éjectat, il faut faire varié la vitesse de l'éjectat pour obtenir la même accélération.
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lambda0
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Sam 4 Fév 2006 - 10:28

Alpha a écrit:
Je comprend que dans mon exemple la vitesse de l'éjectat est la même que celle du propulseur, car tout est relatif au propulseur, et que si il y a de la variation dans le rapport des masses du propulseur et de l'éjectat, il faut faire varié la vitesse de l'éjectat pour obtenir la même accélération.

J'aurais plutôt dit qu'il faut faire varier la vitesse d'éjection pour obtenir la même vitesse finale : écrire la conservation de la quantité de mouvement pour s'en convaincre.
Ce sont bien la vitesse d'éjection et la vitesse finale du vaisseau qui apparaissent explicitement dans la formule de Tsiolkovski, la vitesse d'éjection étant exprimé dans le référentiel du vaisseau.
M1 = M0.Exp(-v/ve)
Cette formule se démontre en exprimant la conservation de la quantité de mouvement entre la masse de réaction et le vaisseau, et ne fait pas apparaitre explicitement de poussée ou d'accélération : pour arriver à ces grandeurs, il faut une information supplémentaire, le débit de masse.

Mais je comprends un peu ces confusions : on a l'habitude de caractériser les moteurs par leur poussée, et donc l'accélération qu'il peuvent imprimer à une masse donnée, parce qu'il s'agit en général de décoller d'une surface planétaire et de vaincre l'accélération de la gravité.
Mais dans le cas qui nous occupe, ce n'est pas le paramètre le plus pertinent : on cherche surtout à atteindre une vitesse finale très élevée sans emporter une masse démesurée. On s'intéresse donc plus à la vitesse d'éjection qu'à la poussée, même si tous ces paramètres sont évidemment reliés. Parce que la vitesse d'éjection détermine, par la formule de Tsiolkovski, la masse de réaction à emporter.

Pour schématiser, les paramètres les plus pertinents seraient, en caricaturant :
- Décollage, manoeuvre en fort champ de gravité : poussée
- Vol interplanétaire : poussée/vitesse d'éjection (=impulsion spécifique)
- Vol interstellaire : vitesse d'éjection

Si on reprend l'exemple donné plus haut, le moteur à fusion produit une poussée de moins de 500 N pour une puissance de 8 GW et pèse 14 t, ce qui est ridicule par rapport à n'importe quel moteur fusée classique.
Et pourtant, ce moteur à fusion peut franchir les distances interstellaires grâce à sa vitesse d'éjection très élevée, mais pas le moteur fusée chimique à moins d'emporter une masse totalement irréaliste.

Voilà, pour une explication qualitative.

A+
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Gilgamesh




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Dim 5 Fév 2006 - 17:55

Salut tous le monde,

j'avais entamé cette discussion avec Lambda_0 sur le forum Futura que certains connaissent peut être ici (fil "Société du futur" et "Arche refonte complète...").



Il y a un point de basculement dans la façon dont on envisage la faisabilité du voyage interstellaire, qui concerne tout simplement la longévité de l'être humain.

Si le voyage ET l'installation d'une lignée humaine sur une planète extrasolaire peuvent être menés dans la fraction d'une vie d'homme, on définit une stratégie courte, avec un petit vaisseau.

Si l'ensemble de l'entreprise nécessite plusieurs générations, comme je le suppose, on passe à une stratégie longue nécessitant un gros vaisseau, une Arche. Dans ce cas en effet, plusieurs générations doivent se succéder dans un environnement qui ne peut plus être strictement artificiel. Il suffit de poser la question autours de soi pour apercevoir à quel point la perspective de passer une vie entière dans un milieu clôt, soi et la descendance que l'on va décider de mettre au monde, répugne de prime abord. C'est cette réticence bien compréhensible qu'il faut lever.

Voici l'engin :
http://img405.imageshack.us/img405/1226/archev037fe.png

La structure habitable, le diabolo central, fait 10 km de longueur pour 5 km de rayon (section transversale "carrée" maximisant le ratio volume/surface). La surface de paroi à synthétiser est A = 2.pi.r²(1+rac2) = 3,8e8 m² (380 km²) pour une épaisseur d'environ 100 m, soit 38 km3 de matériaux de densité 1 (cf. infra)

La surface habitable, 2.pi.r² soit 160 km², est formé d'une épaisseur d'eau océanique de 100 m de profondeur sur laquelle flottent des "plaques continentales" formées d'une 10aine de m de sol et de roches reposant sur un ballast d'air d'une 50aine de m soit l'équivallent de 16 km3 de matériaux de densité 1.

Soit une structure de 54 Gt. Auquel il faut ajouter la masse du moyeu central, de la poutre et de la corolle propulsive estimée à 1 Gt, soit une masse sèche de 55 Gt. On va tabler sur une vitesse d'éjection moyenne de 15 000 km/s et une vitesse de pointe de 4000 km/s soit un ratio M0/Ms = exp(2x4/15) = 1,70. Soit une masse totale de départ qui frôle les 100 Gt.

En dehors de la partie carburant (D, H, Li, B11...) concevoir une telle structure entièrement faite de métaux (Fe, Al, Mg...) est inenvisageable. D'abord parce que la concentration de métaux dans les petits corps du système solaire rendrait nécessaire d'en consommer des centaines. Ensuite parce que les métaux sont des corps denses (alors qu'on cherche une structure légère à accélerer) et qu'ils offrent un ratio résistance en tension/masse assez modeste. Enfin parce qu'ils sont soumis à un phénomène de "fatigue" (formation de dislocations dans le réseau cristallin qui les rigidifient et aboutissent à la formation de fissures) et qu'ils sont oxydables de diverses manières, alors même que l'intérieur de l'Arche est érosif (cycle atmosphérique saisonnier, air humide, couche océanique...) et que l'integrité de la paroi sur de très longues durées (pls siècles) représente un paramètre clé du succès de l'entreprise.

On imagine donc une paroi formée de fibres végétales. Les atomes en sont plus légers et plus abondants (CHON), elles offre un excellent ratio résistance/masse et sont de conception très sécurisantes (elle "préviennent" avant de céder). Surtout : elles se régénèrent.

La seule chose a faire est d'isoler la structure du vide spatial, mais là encore le fonctionnement biologique peut s'en charger avec production d'un épiderme très cohésif de cellules mortes dans une matrice caoutchouteuse (épaisseur calculée : 80 cm).

Autre avantage clé : pour la construction même de la structure, l'ingénierie se résume à nourrir une structure vivante en éléments simples prélevés sur les petits corps : H2O, CO2, azote, phosphore... La structure grandit sur une orbite intérieur en utilisant l'énergie solaire, depuis un stade embryonnaire jusqu'à sa dimension adulte kilométrique en 2 ou 3 siècle. Durant ce laps de temps, elle est habitable par ses hôtes bâtisseurs.

Sur le trajet interstellaire, il faut ensuite assurer l'énergie d'entretien et pour simplifier on se donne comme besoin énergétique (incluant les besoin de l'écosysteme, lui-même incluant les hommes) la fourniture d'un éclairement terrestre moyen sur l'ensemble de la surface : 350W/m² x 3,8e8 m² = 130 GW, soit de l'ordre de 1% de l'énergie consacrée à la propulsion.

L'évacuation de cette énergie dans l'espace est assurée par une circulation d'eau sous l'épiderme, avec une température externe de rayonnement de T=(P/sA)^0,25 avec P puissance dissipée 130 GW, s cte de Stefan 5,67e-8 et A l'aire rayonnante 3,8e8 m² soit T=279K (6°C).

L'écosystème reproduit un gradient ombrothermique calqué, avec évidemment quelques simplifications, sur celui de la Terre, de manière à reproduire la plus grande diversité d'écosystème (justifiant l'appelation d'Arche).

La population estimée est de 50 000 personnes, soit 30 personnes/km² ce qui est faible.

Le système propulsif et le carburant ne tournent pas avec le diabolo (jonction par palier transmettant la poussée) ce qui permet de minimiser les contraintes de structures, donc le poids. Pour une part, on n'est pas contraint là encore à user de métaux, les fibres de verre ou de carbone pouvant très bien en former l'essentiel.

Les anneaux de carburant (glace d'hydrogène et de deuterium, lithium hydrogéné LiH..., fibre de bore) jouent un rôle protecteur de la structure contre des chocs improbables mais dévastateurs à 4000 km/s (en vol libre).

La corolle propulsive est haubannée à une poutre centrale à la façon d'une voile arrière. La poutre est rotulée et haubannée, tout travaille en tension, ce qui permet de réaliser une structure légère. L'accélération ne dépasse pas g/10 000, soit une poussée transmise de 10 GN (1 megatonne).

Tout élément en charge (tube, câble) est triplé de manière à pouvoir retirer un élément pour examen ou remplacement en en laissant en charge une paire, la rupture imprevue de l'un étant compensée par la présence de l'autre.

Les panneaux de la corolle peuvent pivoter sur leur axe radial. Le passage des haubans de la poutre de poupe à celle de proue permet ensuite de les basculer en position symétrique vers l'avant. L'inversion de poussée dans la phase de déceleration peut ainsi être réalisée sans retourner la structure de l'Arche.

voili je m'arrête là.

salut
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Patrick
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Dim 5 Fév 2006 - 18:08

Gilgamesh a écrit:

... contre des chocs improbables mais dévastateurs à 4000 km/s (en vol libre) ...

Un collision avec un grain de poussière doit faire de sacrés dégâts
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Alpha




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Dim 5 Fév 2006 - 18:26

Impressionnant comme vaisseau, le nom d'Arche lui v'a bien, car pour justifier les coûts de recherche et d'exécution de cette Arche n'est envisageable que dans le cas de la construction d'un vaisseau de sauvetage planétaire.

Pour l'instant, et tant qu'il n'y auras pas de menaces évidente pour la terre je crois qu'il est plus avantageux de gagné en vitesse de déplacement et de recherche de racourcis interstellaire.

Ce type de vaisseau fabriqué en taille plus modeste serait par contre idéal pour être placé en orbite de façon permanente autour de Mars ou de l'une des lunes des géantes gazeuse pour terraformé un de ces astre. Son équipage permanent aurait un confort acceptable pour des scientifiques colonisateurs.
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Gilgamesh




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Dim 5 Fév 2006 - 22:46

Patrick RR a écrit:
Gilgamesh a écrit:

... contre des chocs improbables mais dévastateurs à 4000 km/s (en vol libre) ...

Un collision avec un grain de poussière doit faire de sacrés dégâts

Clair :-)


Mais les poussières sont surtout présentes dans le milieu interplanétaire (poussière zodiacale). Comme l'accélération est très progressive, quand l'Arche dépassera le nuage de Oort (disons a x=3000 UA du Soleil), la vitesse sera de racine(2ax), a étant l'accélération (1e-4 m/s²) soit dans les 30 km/s. Rien encore de bien méchant.

Et symétriquement pareil en rentrée dans le système stellaire de destination.

Le milieu interstellaire a priori est sans risque mais on ne sait jamais évidemment et j'ai essayé de simuler les dégât occasionnés par un choc à 3000 km/s

On imagine que le matériau du bouclier possède une énergie de liaison de 1eV (typique d'une liaison covalente). Soit disons 1 GJ/m3. Je divise l'énergie du choc par l'énergie de liaison volumique pour avoir les dimension du cratère :

taille du projectile / profondeur du cratère

1 micron / 0,5 mm
1 mm / 50 cm
1 cm / 5 m
10 cm / 50 m
1 m / 500 m

Quand l'Arche sera au environ de mi-trajet à son maxi de vitesse en vol libre, on peut prévoir des sondes en formation étagée, très loin en avant de la structure, qui scannent finement l'espace pour pulvériser tout ce qui dépasse le millimètre.


salut
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Gilgamesh




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Dim 5 Fév 2006 - 23:09

Alpha a écrit:
Impressionnant comme vaisseau, le nom d'Arche lui v'a bien, car pour justifier les coûts de recherche et d'exécution de cette Arche n'est envisageable que dans le cas de la construction d'un vaisseau de sauvetage planétaire.
Pour l'instant, et tant qu'il n'y auras pas de menaces évidente pour la terre je crois qu'il est plus avantageux de gagné en vitesse de déplacement et de recherche de racourcis interstellaire.

Ce type de vaisseau fabriqué en taille plus modeste serait par contre idéal pour être placé en orbite de façon permanente autour de Mars ou de l'une des lunes des géantes gazeuse pour terraformé un de ces astre. Son équipage permanent aurait un confort acceptable pour des scientifiques colonisateurs.


Salut Alpha,

ouais mais de toute façon, il faut bien se dire qu'aucune Arche ne pourra sauver l'humanité si l'écosystème terrestre est en perdition. Ce n'est pas une motivation envisageable pour inaugurer la démarche.

Déjà bien sûr, vu les volumes à mobiliser il est inimaginable d'espérer envoyer plus d'1 million d'humains. Soit 1/10000e de l'humanité.

On peut certes voir l'Arche comme devant remplir le rôle qu'elle a dans le mythe, ici porter un frêle rameau vers d'autres rivages. Mais en y réflechissant un petit peu, je crois que ça ne tiens pas vraiment la route. L'Arche nécessite, comme savoit faire minimum, la maîtrise totale d'un écosystème, avec un recyclage complet de tous les éléments, ainsi qu'un contrôle démographique absolu pendant disons 1 millenaire (peut être moins, mais quand on sait le faire sur 1 siècle...). Si l'humanité est infoutue de reguler l'écosystème terrestre, au point d'y perdre la vie (ce qui suppose une inaptitude scientifique et politique conjuguées) on voit mal comment, en mobilisant des compétences que précisément elle n'a pas, elle pourrait résussir un projet de cette ampleur.


A mon sens, seule une humanité "heureuse" donc très loin de la "perdition" est capable de concevoir et de supporter une telle entreprise. Comme tu le dis, je pense qu'au départ l'Arche doit être conçu comme un lieu de vie de colons spatiaux, étant entendu que la vie en apesanteur, ça va un moment. L'homme étant l'espèce qu'il est, il a besoin de l'environnement pour lequel il est adapté. Il ne peut pas s'adapter à l'espace. D'où l'Arche.

L'ajout d'une corolle de propulsion est facultative après tout... Mais j'imagine que après 1 génération complète, si l'Arche fonctionne bien, les archonautes n'auront aucun besoin de retourner sur Terre. Et alors, tout est permis.



D'ici là, il y a du chemin à parcourir et le cadre étatique classique est bien sûr trop étroit. L'Arche n'est à mon humble avis concevable que comme projet spécifique d'une nation distincte, la Nation spatiale.


== je recycle un post de Futura :

FONDATION D'UNE NATION SPATIALE



Le contexte :

Le voyage en orbite basse s'est semi-democratisé à, disons pour fixer un ordre d'idée, 10 000€ le trajet. En dehors des Etats, des acteurs diversifiés acteurs associatifs, entreprises, particuliers fortunés concrétisent divers "rêves d'espace" qui par la force des choses (le coût) se fédèrent autours de structure commune d'accueils en orbite avec l'aide active des grands Etats. Une petite biosphère III en pesanteur artificielle est crée, permettant un séjour spatiale arbitrairement long (sauf en termes de coût évidemment) pour de simple quidam. A ce stade, il existe également des navettes interplanétaires à propulsion nucleothermique capable de réaliser plusieurs transfert orbitaux d'affilés dans le système solaire interne, disons jusqu'à Jupiter. On maitrise l'accès en quasi routine aux petits corps (se poser, y travailler, rembarquer). On est capable d'en extraire des glaces, des silicate et des oxydes metalliques. La recherche se porte sur la capacité à faire croitre des structure de type végétale en orbite.

Fondation de la NS :

Les Etats signataires s'engagent à consacrer l'essentiel de leurs effort financier et de recherche destinés à l'espace non commercial à une unique entité, la Nation spatiale, jusqu'au stade de l'autonomie de celle ci.

La Nation spatiale ne dispose d'aucun territoire sur Terre, à l'exception de ses ambassades dans les Nations fondatrices.

Jusqu'à l'accès à l'autonomie, la politique de la Nation spatiale est décidée et mis en oeuvre par un gouvernement paritaire formé de représentants des Nations fondatrices à proportion de leur investissement dans le projet et de citoyens de la Nation spatiale élus par leur pairs.

Les citoyens de la Nations spatiales sont des citoyens volontaires issue des Nation signataires sélectionnés par une commission paritaire sur la base de leur aptitude à participer aux projets formés par la Nation spatiale.

Ils conservent ainsi que leur descendance leur nationalité d'origine jusqu'à l'autonomie de la Nation spatiale.

La Nation spatiale subventionne entièrement leur accès à l'espace. Ils s'engagent pour le temps de leur séjour spatiale à se consacrer entièrement aux missions qui leur seront assignés par le gouvernement de la Nation spatiale.

La Nation spatiale se donne comme objectif prioritaire de réaliser un habitat autonome vis-à-vis de la Terre au plan démographique, politique (à terme), énergétique, économique, et plus généralement libre de toute attache avec un astre du système solaire.

Jusqu'à l'accès à l'autonomie, et sans préjuger de la suite, la Nation spatiale peut dormer des projets d'intérêt économique dans le cadre des échanges terrestre lui permettant de se financer et alleger par la même le volume des subventions des Etats fondateurs.

La déclaration d'autonomie de la Nation spatiale est du ressort du gouvernement paritaire et doit être unanime en son sein.



salut
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lambda0
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Lun 6 Fév 2006 - 8:55

Salut Gilgamesh

Bienvenu par ici, et bravo pour le résumé, et pour le nouveau design.
Pour la suite, celà repose bien le contexte.
J'avais repris la réflexion un peu en amont en repartant du principe de la sonde automatique, pour essayer d'établir une continuité entre ce qu'on sait faire maintenant et le concept d'Arche.
On peut reconsidérer le système de propulsion, en retournant également le problème du bouclier de protection : au lieu d'essayer de se protéger de ce qui se trouve dans le milieu interstellaire, on peut essayer de s'en servir pour la propulsion.
Le milieu interstellaire est essentiellement constitué d'hydrogène, qui peut être collecté et servir de masse de réaction. C'est une variante du ramjet interstellaire de Bussard (RAIM=Ram Augmented rocket interstellar)
http://en.wikipedia.org/wiki/Bussard_ramjet
http://scientium.com/diagon_alley/commentary/bowden_essays/sotm/starship/rockets.htm#rair
http://scientium.com/diagon_alley/commentary/bowden_essays/sotm/starship/rockets.htm
(Rem: remarquer le bouclier d'érosion prévu sur Daedalus et Longshot)

Celà ne modifie pas trop le réacteur à fusion inertielle envisagé, puisque cette masse de réaction est injectée en sortie du réacteur, dans le faisceau de propulsion. Par contre, celà modifie (encore) la structure du vaisseau si on prévoit un système de récupération de l'hydrogène. Ce système ne serait pas nécessairement une masse pleine (et donc très vulnérables aux collisions) mais une grille créant un champ magnétique dirigeant les particules ionisées du milieu interstellaire vers le système de propulsion.
Si ce système peut fonctionner, on peut envisager d'atteindre des vitesses supérieures.
Mais avant de changer quoi que ce soit, il faut que je regarde si celà est réalisable avec des champs magnétiques et des dimensions raisonnables.

Argyre a aussi introduit une idée : stocker de l'énergie avant le départ dans des anneaux, sous la forme d'énergie cinétique de particules guidées par un champ magnétique. Là encore, si c'est viable, celà change encore la forme... Calculs en cours.

Mais on peut quand même considérer comme figée la charge utile (ici, la zone habitable).

A+
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Patrick
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Lun 6 Fév 2006 - 9:17

Gilgamesh a écrit:


Mais les poussières sont surtout présentes dans le milieu interplanétaire (poussière zodiacale). Comme l'accélération est très progressive, quand l'Arche dépassera le nuage de Oort (disons a x=3000 UA du Soleil), la vitesse sera de racine(2ax), a étant l'accélération (1e-4 m/s²) soit dans les 30 km/s. Rien encore de bien méchant.

Et symétriquement pareil en rentrée dans le système stellaire de destination.

Le milieu interstellaire a priori est sans risque mais on ne sait jamais évidemment et j'ai essayé de simuler les dégât occasionnés par un choc à 3000 km/s

On imagine que le matériau du bouclier possède une énergie de liaison de 1eV (typique d'une liaison covalente). Soit disons 1 GJ/m3. Je divise l'énergie du choc par l'énergie de liaison volumique pour avoir les dimension du cratère :

taille du projectile / profondeur du cratère

1 micron / 0,5 mm
1 mm / 50 cm
1 cm / 5 m
10 cm / 50 m
1 m / 500 m

Quand l'Arche sera au environ de mi-trajet à son maxi de vitesse en vol libre, on peut prévoir des sondes en formation étagée, très loin en avant de la structure, qui scannent finement l'espace pour pulvériser tout ce qui dépasse le millimètre.


Merci pour ces précisions ... précises

;-)
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Gilgamesh




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Lun 6 Fév 2006 - 11:31

hello lambda,

lambda0 a écrit:
Salut Gilgamesh
(...)
J'avais repris la réflexion un peu en amont en repartant du principe de la sonde automatique, pour essayer d'établir une continuité entre ce qu'on sait faire maintenant et le concept d'Arche.
On peut reconsidérer le système de propulsion, en retournant également le problème du bouclier de protection : au lieu d'essayer de se protéger de ce qui se trouve dans le milieu interstellaire, on peut essayer de s'en servir pour la propulsion.(...)


L'intérêt du ramjet c'est le fait d'utiliser directement le "vent de la vitesse" pour provoquer la compression, c'est ça ? Un peu comme un "statoréacteur thermonucléaire" :-)

Eh ma foi, tu as raison c'est sûr que tout est bon à prendre.

Pour le stockage en anneau je crains comme toi pour la densité énergétique. Mais surtout je trouve pas ça hyper sécurisant.

Sinon dans cet ordre d'idée de faire feu de tout bois, sur toutes les zones évidées de la corolle (l'espace entre chaque pétale ménagé pour inserer les câble sans que ceux ci soit grillés par le rayonnement) on peut placer un mylar aluminisé pour servir de voile solaire.

salut
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lambda0
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Lun 6 Fév 2006 - 13:15

Salut

Sur le ramjet de Bussard :
Il y a plusieurs variantes, voir références messages précédents.
Dans la première version de Bussard, cet hydrogène était directement fusionné.
Problème : la réaction p+p est pratiquement impossible à allumer
Dans les versions suivantes, le vaisseau a un moteur à fusion autonome, et l'hydrogène collecté est injecté dans le flux issu du moteur pour augmenter la poussée. L'énergie vient du réacteur à fusion, mais la masse de réaction provient essentiellement du milieu interstellaire (et du coup, le formule de Tsiolkovski ne s'applique plus telle quelle).
De toute façon, ce réacteur à fusion autonome est indispensable car le ramjet ne commence à fonctionner efficacement qu'à environ 5% de la vitesse de la lumière... (ça dépend de la densité d'hydrogène)

Sur la poussée photonique :
La pression de radiation, c'est 6.7 N/GW. Difficilement utilisable pour un gros vaisseau, mais tout à fait crédible pour une petite sonde. Je pense même qu'on pourrait lancer une sonde de survol de quelques dizaines de kg à c/10 par cette méthode dans le courant de ce siècle. Celà ne nécessite même pas de maîtriser la fusion pour alimenter le laser.
Mais ici, on risque de compliquer les choses pour un gain marginal.

D'une façon générale, sur le concept d'arche :
Les durées de voyage dépassent une vie humaine et le système est conçu pour celà, de façon à être autonome pendant quelques siècles.
Dans cette optique, 4000 km/s, soit presque 1000 ans pour parcourir 10 a.l. (compte tenu de l'accélération) celà semble encore un peu juste, et je cherche toujours un système permettant d'atteindre c/10 pour une telle masse, ce qui nous ramène dans les bons ordres de grandeurs (quelques siècles, et non quelques millénaires).
Sinon, remarque sur la densité de population de l'arche : en y réfléchissant 30 h/km² n'est pas si faible. Raisonnement empirique : la densité de population terrestre est de l'ordre de 13 h/km² de surface globale (plus de 50 h/km² en rapportant aux terres émergées), et il semble qu'on a franchi un seuil où on dégrade l'environnement plus vite qu'il ne se régénère. Il y a bien des zones de densités bien plus élevées depuis longtemps, mais qui ont besoin des ressources de zones inhabitées.
Il me semble que cette comparaison a un sens parce qu'on considère des périodes assez longues.
Le modèle ne devrait-il pas tenir compte d'une certaine "entropisation", quel que soit le soin apporté à la conception de l'écosystème ?
Comment justifier cette valeur de densité de population plutôt qu'une autre ?

A+
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Alpha




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Lun 6 Fév 2006 - 22:39

Corrigé moi si je me trompe, mais l'expérience des américains qui devaient vivre un an a l'intérieur d'un écosystème créé sous une serre étanche dans un désert américain dans les années 80 c'est soldé par un fisco après environ 8 mois. Malgré tout leur efforts, les scientifiques ont trop maigris et ont souffert de fatigue extrème car le stress de l'échec et les travaux entamé pour réussir quand même les a mené au surmenage. C'est pour cela que la NASA a commandé des études sur des mini-serres ultraperformante pour supporté la vie dans un minmum d'espace et on mit de côté la version écologique de l'agriculture.
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Argyre




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Lun 6 Fév 2006 - 23:22

Alpha a écrit:
un écosystème créé sous une serre étanche dans un désert américain dans les années 80 c'est soldé par un fisco après environ 8 mois.
Bonjour,

Si je me souviens bien, le problème majeur de l'expérience de Biosphère 2 était l'oxygène, qui n'était plus suffisamment produit par les plantes en plein hiver, ils ont fini par ouvrir ....
Sinon, ils ont sans doute maigri, mais je ne me souviens pas que cela fût dramatique.
De manière générale, Biosphère était une juxtaposition de plusieurs écosystèmes complètement différents. La critique fondamentale qui en est ressorti est qu'il y avait beaucoup trop de variables en jeu et qu'il était donc difficile de prévoir l'évolution globale des conditions de vie. Ainsi, même si l'étude s'est avérée intéressante, il y a eu peu de résultats scientifiques permettant de progresser dans le domaine avec une vue claire sur les rôles et les conséquences de chaque composante du système.
En ce qui concerne les vols spatiaux, la place occupée et la masse sont des paramètres importants. En conséquence, il est irréaliste de vouloir du 100% naturel pour les fusées actuelles, voilà pourquoi on cherche toujours un compromis système naturel/système artificiel qui dépend notamment de la durée de la mission.
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Gilgamesh




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mar 7 Fév 2006 - 21:24

Bon pour la voile solaire, comment dire Very Happy


En la tendant entre les pétales de la corolle et sur le disque central j'obtiens une surface de 500 km². En tablant sur une masse surfacique de 5g/m², ça représente 2500 t.

Mais le surcroit de poussée est vraiment minuscule... genre 5000 N dans le système solaire intérieur, soit 5 millionième de surcroit de poussée.

Par contre il faut peut être la garder au moins au départ ne serait ce que pour protéger la structure du rayonnement solaire.

Autre solution d'appoint, vu qu'on a de l'électrcité et une grand structure annulaire : faire passer un courant dans un élément supraconducteur faisant tout le pourtour pour faire miroir magnétique et utiliser un le vent solaire pour se propulser. Mais bon calcul fait (9 p + 1 he4 /cm3 à 500 km/s, rayon de l'anneau 20 km) ça représente 5 à 6 N de poussée d'appoint, gnarf !



salut
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lambda0
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mer 8 Fév 2006 - 8:56

Rep Argyre, Alpha
On se place dans un futur assez éloigné, et il faut considérer que Biosphère était une première expérience. L'Arche n'a bien sûr rien à voir avec les fusées actuelles. Une autre idée est que dans le courant du 21ème siècle, afin de pallier aux dégradations causées à notre environnement, se développera une nouvelle science, qu'on pourrait appeler "ingénierie écologique", et une bien meilleure compréhension du fonctionnement des écosystèmes et de la façon de les contrôler. Avec des retombées évidentes dans le domaine spatial. Et il peut se produire l'inverse : les études sur les écosystèmes fermés pour les vols interplanétaires, mais aussi la planétologie comparée, et les études de terraformation d'autres planètes, peuvent mener à une meilleure compréhension de l'environnement, même s'il s'agit de projets très utopiques pour l'instant.
Un des prérequis posés au début de ce développement était justement la maîtrise d'une telle ingénierie écologique. Il me semble qu'on ne quittera jamais notre planète sans cette science, sauf pour faire quelques sauts de puce vers la Lune ou une planète proche.


Rep Gilgamesh

Bon, j'ai peut être été un peu dur sur le principe de la voile.
Considérer les points suivants :
- La voile peut être bien plus légère que 5g/m². D'après Landis (réf plus haut) , l'épaisseur peut être inférieure à 50 nm et la masse de l'ordre de 200 kg/km², soit 0,2 g/m²
- Il n'y a pas vraiment de limite aux dimensions de structures construites en apensanteur. Une voile de 1000 km de côté (soit 10^6 km²) pèserait environ 200000 t. A titre de comparaison, c'est la masse d'un pétrolier à vide (plus de 600000 t plein)
- Le flux solaire étant trop faible, la poussée peut être produite par des lasers stationnés dans le système solaire.

Le vaisseau serait "tracté" par plusieurs voiles au départ du système solaire, qui seraient ensuite repliées au delà de 1 ou 2 a.l., quand on arrive au delà de la portée des lasers, avant que les moteurs à fusion et/ou le ramjet prennent le relais. Accessoirement, quelques trous dans la voile dûes à des grains de sables ne compromettent pas le dispositif.
Je vais quand même vérifier ce que ça donne, en fonction de la densité de flux que peut supporter la voile.

A+
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mer 8 Fév 2006 - 18:50

Salut,

Je trouve qu'on se rapproche un peu trop de la science-fiction. Si on prend en compte des progrès en ingénierie biologique, on peut aussi envisager des solutions plus simples : hibernation, corps artificiels non sujet au vieillissement... Dans le cas de l'Arche, la deuxième génération qui n'aurait jamais connu la vie sur planète pourrait peut-être s'adapter à un manque de nature.
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Gilgamesh




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mer 8 Fév 2006 - 19:45

Hello

Ici une idée de disposition de voile solaire en anneaux :

diamètre : 400 km (500 000 km²)




Pour calculer la contribution à la poussée j'ai essayé d'intégrer la poussée depuis x0 (disons 1 UA) jusqu'à l'infini.

Je pars de la formule donnant la poussée par l'énergie solaire reçue (bien pratique, merci lambda)

Avec P la puissance solaire 4e26 W
x(t) la distance du Soleil en fonction du temps
S la surface de la voile
M la masse totale
v la vitesse radiale (v0=0)
k la poussée/W de rayonnement

En appliquant F=ma=k.puissance reçue

d²x/dt²=kPS/4pi.M.x(t)²

soit une équa diff de 2nd ordre de la forme si je ne m'abuse:

f"=a/f²

J'ai essayé a midi mais je être un peu rouillé -_-. Quelqu'un de plus doué pourrait il m'aider ?

merci


Dernière édition par le Mer 8 Fév 2006 - 20:13, édité 1 fois
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Patrick
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mer 8 Fév 2006 - 20:06

Gilgamesh a écrit:
Hello

Ici une idée de disposition de voile solaire en anneaux :

diamètre : 400 km (500 000 km²)


La France en voiles solaires ...
Grandiose
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SpaceNut




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mer 8 Fév 2006 - 20:57

Les astronautes ont déjà du mal à déployer des structures de quelques dizaines de mètres... alors une voile de 500 000 km2...

Plaisanterie mise à part, votre débat est intellectuellement extrêmement stimulant et jubilatoire... même si j'ai des lacunes incommensurables en science (entre autre)...
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Alpha




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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Mer 8 Fév 2006 - 22:32

Si je comprend bien Lambda0, la voile servirais d'impulsion de départ pour garantir une vitesse suffisante la mise en marche du moteur ramjet. Cela implique la construction d'un immense concentrateur laser et d'une immense voile. Ne serait il pas plus simple de greffer des propulseurs d'appoints avec réservoir, le tout larguable une fois la vitesse recherché est obtenu.

Je doute qu'un vaisseau qui dépand uniquement de voiles pour ses déplacements ait la maniabilité nécéssaire pour les changement de cap imposé par les imprévus (météorites, avari qui cause des changement de cap accidentel).
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lambda0
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Jeu 9 Fév 2006 - 9:25

SpaceNut a écrit:
Les astronautes ont déjà du mal à déployer des structures de quelques dizaines de mètres... alors une voile de 500 000 km2...
Plaisanterie mise à part, votre débat est intellectuellement extrêmement stimulant et jubilatoire... même si j'ai des lacunes incommensurables en science (entre autre)...

Nous sommes bien d'accord que tout celà est purement théorique.
On cherche surtout à évaluer les limites imposées par la physique, indépendamment de problèmes d'ingénierie qui peuvent être résolus avec le temps et les moyens nécessaires. On a bien pris soin de définir le contexte dans l'introduction de la discussion.
Sinon, oui, évidemment, on se donne un mal de chien pour hisser en orbite quelques tonnes, on ne sait pas déployer une voile, etc.
Tout celà n'est bien qu'un exercice intellectuel.
Mais je me dis toujours que si on se limite toujours à réfléchir à ce qu'on peut faire à un instant t uniquement avec la technologie disponible à l'instant t, on n'avance pas beaucoup.
On ne sait pas lancer une voile de 1 km², mais ce n'est pas un problème de limite physique fondamentale.
Mais en fait, une voile de grandes dimensions devrait plutôt être fabriquée directement dans l'espace, assemblée par segments.

A+
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Jeu 9 Fév 2006 - 9:30

Alpha a écrit:
Si je comprend bien Lambda0, la voile servirais d'impulsion de départ pour garantir une vitesse suffisante la mise en marche du moteur ramjet. Cela implique la construction d'un immense concentrateur laser et d'une immense voile. Ne serait il pas plus simple de greffer des propulseurs d'appoints avec réservoir, le tout larguable une fois la vitesse recherché est obtenu.
Je doute qu'un vaisseau qui dépand uniquement de voiles pour ses déplacements ait la maniabilité nécéssaire pour les changement de cap imposé par les imprévus (météorites, avari qui cause des changement de cap accidentel).

Mais justement, le fait de rajouter des propulseurs d'appoints, et de les larguer au fur et à mesure ne change pas les ordres de grandeur du problème, car l'essentiel de la masse est le carburant. Il y aura bien un gain, mais assez marginal.
En ce qui concerne la maniabilité, ce n'est pas vraiment un problème : la probabilité de rencontre d'un corps important dans le milieu interstellaire est infinitésimale, on n'a donc jamais besoin de changer de cap rapidement.

A+
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MessageSujet: Re: Thème et variations sur les voyages interstellaires   Jeu 9 Fév 2006 - 9:42

Gilgamesh a écrit:
Hello
Ici une idée de disposition de voile solaire en anneaux :
diamètre : 400 km (500 000 km²)

Pour calculer la contribution à la poussée j'ai essayé d'intégrer la poussée depuis x0 (disons 1 UA) jusqu'à l'infini.
(...)


Salut

J'étais bien tombé sur cette équation, mais en faisant un calcul d'ordre de grandeur, il me semblait que le flux solaire était toujours insuffisant.

Le flux serait plutôt produit par un laser stationné dans le système solaire.
La faisabilité d'une sonde interstellaire accélérée de cette façon a été étudiée par Forward vers 1984, et plus tard par Landis (NASA, Ohio).
Voir :
http://www.qedcorp.com/pcr/pcr/starflt.html
http://www.niac.usra.edu/files/library/meetings/annual/mar99/4Landis.pdf

Comme on cherche à minimiser la dimension de la voile, celà revient à concentrer le flux, et comme la voile n'est pas parfaitement réfléchissante, une partie de l'énergie est absorbée et la densité d'éclairement est limitée par le point de fusion du matériau dont est constitué la voile.
Forward considérait une voile en aluminium de 10 km², d'une épaisseur de 16 nm, avec une réflectivité de 82%, portant une sonde d'environ 300 kg. La voile était accélérée par un laser de 65 GW jusqu'à 11% de la vitesse de la lumière en quelques semaines, ce qui permet d'atteindre Alpha Centauri en moins de 50 ans. On a aussi considéré une voile en niobium, dont le point de fusion est plus élevé, ce qui permet d'augmenter la densité d'éclairement et de diminuer la taille de la voile, et donc sa masse.
Tous ces paramètres ont aussi une incidence sur la puissance du laser : le faisceau a une divergence, et si l'accélération est de la voile est trop faible, du fait de la limite thermique (qui impose d'augmenter la dimension, et donc la masse), le laser doit avoir une portée supérieure, ce qui revient ici à augmenter sa puissance. Landis a remplacé l'aluminium par des couches minces diélectriques dont l'absorption est très faible, ce qui permet de diminuer la dimension de la voile. Un film d'Al2O3 d'une épaisseur de 57 nm a une masse spécifique de 226 kg/km² et peut supporter 34 MW/m², ce qui correspond à une poussée maximale de 224400 N/km² pour un flux incident de 34000 GW.


Regardons maintenant ce que ça donne avec notre vaisseau, en ordre de grandeur.
On prend M=50 Gt, et on recherche une accélération a=0.01 m/s².
Si l'accélération est constante, celà correspond à delta(V)=315 km/s/an
Une phase d'accélération de 10 ou 20 ans par ce moyen produit donc déjà une vitesse respectable.
Pour cette accélération, il faut une poussée F=5.10^11 N
Soit une surface de voile S=2,23.10^6 km², ce qui correspond à une voile carré d'environ 1500 km de côté. Cette voile pèserait environ 700000 t, ce qui est négligeable devant la masse du vaisseau.
La puissance requise est alors de P=7,6.10^19 W.
Ce qui correspond à l'énergie libérée par la fusion de plusieurs tonnes de deutérium par seconde...
On retrouve donc au niveau de la centrale énergétique alimentant le laser les ordres de grandeur de débit de fusion que l'on avait au niveau de la propulsion dans le cas des moteurs à fusion.
A une différence près : il fallait se restreindre à des réactions aneutroniques, ce qui limitait les réactions possibles, alors qu'une centrale énergétique basée dans le système solaire peut bien utiliser la réaction D+D (produisant des neutrons), ce qui est intéressant car le deutérium est bien plus abondant.

Le principe du voilier photonique permet de déporter la production d'énergie et de relacher certaines contraintes.
Cependant, il en introduit d'autres :
- Le vaisseau n'est plus autonome et dépend d'une source d'énergie distante
- On peut accélérer, mais il est difficile de freiner avec un tel système
- Ce qui implique que le vaisseau doit de toute façon posséder son système de propulsion
- Toutes les contraintes liées au laser : précision de pointé, divergence, etc.

En résumé :
- Le principe du voilier photonique est tout à fait adapté au lancement de petites sondes interstellaires de survol, de quelques dizaines à quelques centaines de kg. Les technologies requises semblent même accessibles à l'échelle de quelques dizaines d'années, le principal coût est celui de l'assemblage en orbite d'une structure de 20000 à 50000t, correspondant au laser, à sa centrale énergétique, et à la lentille de focalisation
- La généralisation à des vaisseaux plus importants est bien plus hasardeuse, même à très longue échéance, celà devrait plutôt être considéré comme un système d'appoint pour un vaisseau qui a de toute façon besoin d'une propulsion autonome.

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