Humwawa a écrit :
Un topic sur la possibilité de franchir les distances interstellaires. Disons pour atteindre une planète située dans une coquille faisant 10 à 50 années-lumière.
L'idée c'est de prendre au sérieux la limitation imposée par "c" la vitesse de la lumière et d'envisager la chose sans moyen "exotique" (warp drive ou autre pour ceux qui connaissent), uniquement avec des technologie éprouvées ou en passe de l'être, come la fusion thermonucléaire civile.
On se retrouve devant un point de basculement a cause évidemment de la longévité limitée de l'être humain.
Si le voyage, suivi de l'installation d'une lignée humaine sur une planète extrasolaire pouvaient être menés dans la fraction d'une vie d'homme, on pourrait envisager un "petit" vaisseau (gros par rapport à ce qu'on sait faire actuellement mais petit par rapport à... ce qui va suivre ).
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 (et de se poser la question...) 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://img211.imageshack.us/img211 [...] 0xz.th.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 cinquantaine de m soit l'équivallent de 16 km3 de matériaux de densité 1.
Soit une structure de 54 Gt (gigatonne). Auquel il faut ajouter la masse du moyeu central, de la poutre et de la corolle propulsive pour un total estimé à 1 Gt (prix de gros), soit une masse sèche de 55 Gt. La propulsion
-------------
La propulsion est thermo-nucléoélectrique : on confine des noyau léger à très haute température et densité pour les faire fusionner et produire un plasma très chaud et de l'énergie électrique permettant l'éjection du plasma dans une tuyère magnétique.
Les réactions ensisageables sont de 2 types : -celles qui produisent des neutron et du rayonnement gamma : p+D, D+D essentiellement - celles qui ne produisent que des protons ou des noyaux d'He : p+Li (6 ou 7), D+Li7, p+B11 essentiellement (d'autres réaction utilisent le tritium ou He3 mais ces noyaux sont radioactif pour le premier et rarissime pour le second. p+p est inutilisable car infiniment trop lente et produisant des neutrinos qui emportent une grande partie de l'impulsion)
Les réactions du 1e genre sont embêtantes car n et gamma sont insensibles aux champs électromagnétiques et ne peuvent donc être éjectés par une tuyère ; en outre ils sont très agressifs et "activent" les structures métalliques. Par contre les noyaux sont abondants. Les secondes sont idéale mais le Lithium et le Bore 11 sans être rarissime représentent guère plus de 6 ppm dans les petits corps du système solaire. Or les besoins sont énormes. Un concept intéressant est celui de "ice rocket", dans lequel l'hydrogène et le deuterium congelés servent à la fois de réacteur, de tuyère de combustible et d'écran contre les produits de réaction. On peut imaginer utiliser ce systeme dans la première phase du vol puis d'utiliser Li et B dans la phase décélératrice.
Masse du carburant :
On se base sur l'équation fondamentale de Tsiolkovski
M0 = M.exp(v/ve)
avec M0 : masse totale de départ
M : masse "sèche" (sans carburant : structure et moteurs)
ve : vitesse d'éjection du carburant
v : vitesse atteinte en fin d'accélération
Après la phase d'accélération, on a une fraction de vol libre (vitesse constante), puis il faut décélerer pour arriver à vitesse nulle à destination. Cela implique un surcroit de carburant et il faut mettre un carré à l'exponentiel : exp(v/ve) ---> exp(2.v/ve).
On va tabler sur une vitesse d'éjection moyenne efficace de 15 000 km/s et une vitesse de pointe de 4000 km/s soit un ratio M0/M = exp(2x4/15) = 1,70. La masse totale de départ frôle les 100 Gt.
100 Gt c'est l'équivalent de la masse d'un sphère de densité unité de 1,8 km de rayon... Atteindre les étoiles nécessite d'accéder à l'âge industriel et minier des "petits corps" les astéroide et les comètes.
Durée du voyage ---------------
On note :
Da = distance accélération + décélération
Dl = distance de vol libre
On définit : k = (M0-M)/M0, le ratio masse carburant/masse totale
On pose :
q = 2*(1-Sqrt(1-k))/k -1
v = -ve.Ln(M0/M)/2
Ta = Da/(q.ve) durée d'accélération
Tl = Dl/v durée de vol libre
On va prendre Da=Dl=5 al / k = 0,45
On trouve :
v = 4500 km/s (vitesse en fin d'accélération)
Ta = 670 ans
Tl = 330 ans
Durée totale du voyage : 1000 ans
pour faire 10 al
Alternative partielle : poussée solaire
------------------------------------
Pour réduire la masse a emporter ou la durée du trajet on peut envisager d'emprunter la poussée radiative du Soleil avec une voile solaire. On peut imaginer des structures aluminisées dont la masse surfacique ne dépasse pas 0,2g/m². Essayons. La voile ci-dessous fait 200 km de rayon, ce qui représente 125 000 km² pour une masse de 25 000 t, ce qui est raisonnable (3 tours Eiffel 1/2). http://img335.imageshack.us/img335 [...] 2sq.th.png
La poussée radiative est de 6,7N/GW. Au niveau de l'orbite terrestre (1500 W/m²) cela représenterait une poussée de 1,3 MN (130 t). Largement insuffisant, surtout que cette poussée décroit en 1/x² (x étant la distance au Soleil). On table sur une accélération de 7 mm/s² (+210 km/s/an) ce qui représente une poussée transmise de 350 GN (3,5 Mt) pour une Arche de 50 Gt.
Une solution séduisante serait d'installer une source laser très puissante sur un corps moyen du système solaire et de focaliser le rayon sur la voile. Le carburant embarqué ne sert plus qu'à la déceleration et l'Arche ne fait plus que 70 Gt. La puissance laser nécessaire est de 1 milliard de GW (soit la fusion de 10t de Deuterium par seconde) et la voile reçoit l'équivallent de 10000 fois la puissance solaire du niveau de l'orbite terrestre. La structure de l'Arche
-----------------------
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. 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. Dans l'hypothèse où au moins une partie de la phase d'accélération est assurée par le carburant embarqué, 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.
En route vers l'espace infini
et au delàaaaaa !
a+
|