Les modèles de la science fiction et l'avenir de l'homme dans l'espace
Les boucliers nécessaires :
Un aspect important à ne pas oublier, lors d'un voyage spatial, ce sont les protections ou boucliers contre toutes attaques extérieures au vaisseau tels que les rayonnements cosmiques, les rayons du soleil (UV) ou encore les micrométéorites. Il existe différents types de bouclier au niveau de la science-fiction :
le miroir-bouclier :
Dans le film Avatar, le miroir-bouclier est le moyen utilisé pour se protéger de toutes sortes de débris. Il est positionné à l’avant du vaisseau, parfois à l’arrière lorsque le vaisseau freine (point H sur la photographie).
Il a pour but de protéger le vaisseau des matières solides que ce dernier pourrait rencontrer dans l’espace. A cette vitesse, le moindre grain de poussière causerait des dégâts irréparables au vaisseau. En effet, l’impact entre un objet à une vitesse v et un autre à une vitesse v1 provoquerait des dégâts majeurs, voir l’explosion du vaisseau dans son intégralité.
Ce fameux miroir-bouclier est composé d’un dispositif de protection basé sur un champ magnétique chargé de dévier les particules les plus petites, et d’un second bouclier projeté en avant une fois la vitesse de croisière atteinte. Ce second bouclier reste toujours devant, sur la lancée. Il peut être également doté d'armes laser qui peuvent viser et détruire des obstacles impossibles à contourner par des manoeuvres de navigation. Les données sur ce type de bouclier ne sont pas très éloquentes et certains flous peuvent persister quant au moyen de dévier des particules solides grâce à un champ magnétique.
A date, nous n'avons pas sur Terre de technologie nous permettant de dévier des objets ayant une certaine masse. Malgré cela, la NASA ainsi que l'Agence Nationale Européenne (programme NEOShield) se sont lancés dans des recherches afin de pouvoir dévier des objets très rapidement lors d'un déplacement à grande vitesse. Ce bouclier et son efficacité sont donc de l'ordre de l'hypothèse mais il ne serait pas impossible que l'homme, à l'avenir en soit capable.
Cependant, il existe des boucliers dont l'efficacité a fait ses preuves et qu'il ne faudrait pas négliger pour un voyage spatial.
Le bouclier Whipple :
Le bouclier Whipple a été inventé par Fred Whipple dans les années 40. Il s'agit d'un bouclier utilisé pour protéger les vaisseaux spatiaux habités et non habités contre les impacts de micrométéorites hypervéloces ayant une taille inférieure à 2 cm ainsi que contre les débris orbitaux dont les vitesses varient généralement entre 3 et 18 km/s.
Contrairement aux blindages des premiers engins spatiaux, le bouclier Whipple se compose d'une plaque relativement mince, côté extérieur, placée à une certaine distance de la paroi du vaisseau spatial et de blindages spécifiques multicouches (Kevlar ou Nextel, matériaux ayant une très grande résistance) consistant à rajouter des surfaces de protection autour de l'élément à protéger. Ce dispositif a pour conséquence d'améliorer la protection pour une masse donnée de blindage (la masse étant critique pour un engin spatial) et augmente également l'épaisseur des parois des engins spatiaux les rendant donc par ce fait plus résistants. L'avantage de ce type de bouclier est que la première paroi fragmente la particule incidente et disperse les fragments sur une plus grande surface lorsque celle-ci vient frapper la paroi interne, ce qui réduit les dégâts.
Résultat d'un test d'impact hypervéloce sur le bouclier de l'ATV-5
Ici, on observe le résultat d'un test d'impact hypervéloce réalisé sur une réplique du bouclier de l'ATV-5, l'un des véhicules de transfert européens. Lors de ce test, un projectile en aluminium de 7,5 mm de diamètre a été lancé sur le bouclier par le canon à gaz de l’Institut Ernst Mach Institute (EMI) à Fribourg, à une vitesse de 7 km/s.
Suite à l'impact, les premières couches du bouclier de l’ATV-5 sont complètement percées (voir image ci-dessus) mais il s'agit en réalité du résultat attendu. En effet, ces couches sont faites pour se sacrifier et faire éclater le projectile en de multiples fragments et vapeurs. Elles ont ainsi atténué le choc sur la couche la plus interne, constituée de 3mm d'aluminium. Ce choc, au final, ne représente que de multiples petites égratignures (voir image ci-dessous). Le bouclier a donc bien une réelle efficacité.
Actuellement, le bouclier Whipple protège des vaisseaux ayant des vitesses faibles, voir nulles. On peut donc s’attendre à une évolution de ce type de bouclier pour le voir équiper un vaisseau spatial en mouvement. L'avenir de l'homme dans l'espace pourrait donc bien être aidé par ce genre de technologie.
Résultat d'un test d'impact hypervéloce sur la couche interne du bouclier de l'ATV-5
Le bouclier déflecteur :
Le Venture star ne possédant pas à notre connaissance ce genre de bouclier, nous nous appuierons ici sur le très célèbre vaisseau Enterprise. Dans le film Star Trek, ce vaisseau est équipé d’un bouclier qui l'entoure dans son intégralité afin d’éviter les rayonnements cosmiques et UV, et qui le protège ainsi des radiations.
Représentation du bouclier déflecteur de l'Enterprise
Ce bouclier n’a rien d'irréel et pourrait bien devenir une technologie du futur ! Le bouclier doit protéger des particules solides présentes dans l’espace mais aussi des rayonnements pouvant être mortels. La solution n’est pourtant pas si évidente. Une protection contre les rayonnements physiques serait excessivement lourde et épaisse, ce qui la rend tout à fait impossible sous cette forme à cause de la dépense énergétique qu'elle engendrerait. Il existe même des concepts pour créer un bouclier constitué de nourriture, d’eau, de déchets comme les propres excréments des astronautes pour lutter contre les rayonnements mais cela reste tout de même de l'improbable et de l'ordre de l'imagination.
Le moyen est donc bien de réaliser un bouclier déflecteur. Ce bouclier prend ses formes depuis un phénomène qui existe déjà et qui n’est autre que la magnétosphère de notre planète. En effet, celle-ci permet à notre espèce de survivre grâce à son action déviante face aux vents solaires et aux rayonnements mortels.
Structure de la magnétosphère terrestre
Mais comment fonctionne notre magnétosphère terrestre ?
Sur l'image ci-dessus, représentant la structure de la magnétosphère terrestre, le soleil se trouve à gauche bien qu'il ne soit pas représenté. Le soleil émet en permanence 1 million de tonnes de matière par seconde dans le milieu interplanétaire. C'est ce que l'on appelle en astrophysique le "vent solaire". Ce vent est un plasma, c’est-à-dire un gaz constitué principalement d’électrons et de protons mais également d’ions (atomes ayant perdu un ou plusieurs électrons) tels que He² (ion hélium) mais aussi d’autres plus lourds.
Le vent solaire est représenté sur l'image par des flèches jaunes. Ce vent, une fois arrivé en contact avec la Terre, ne va pas continuer en ligne droite son chemin. En réalité, il s'écoule de part et d'autre de la magnétosphère, la limite entre cette dernière et le milieu interplanétaire étant la magnétopause qui se trouve à environ 60 000 km de la Terre. En avant de la magnétopause se trouve la surface de choc, lieu où le plasma solaire est fortement ralenti avant de s'écouler dans la magnétogaine, zone de turbulences comprise entre la surface de choc et la magnétopause. Dans les régions polaires, du côté du soleil (côté jour), se trouvent les cornets polaires. Les cornets polaires agissent comme des entonnoirs dans lesquels les particules électrisées du vent solaire peuvent pénétrer et provoquer l'apparition d'aurores polaires.
Du côté nuit, les lignes de champ ne se referment pas et constituent la queue avec le feuillet neutre et la couche de plasma. La queue s'étire à plus de 400 000 km dans la direction opposée au soleil, ici vers la droite.
À moins de quelques milliers de kilomètres de la surface terrestre se trouve une zone annulaire placée dans le plan de l'équateur magnétique dans laquelle des particules électrisées, protons et électrons provenant du vent solaire, peuvent se retrouver piégées par le champ magnétique. C'est là que se forment les ceintures de Van Allen ou ceintures de radiations. Ainsi, grâce à ce système, notre planète bleue est protégée des rayonnements létaux.
Si on généralise ce système à un vaisseau spatial, il suffirait de recréer à échelle réduite ce même phénomène en prenant en compte certains changements. Placé au coeur du vaisseau, on retrouverait toutes les fonctionnalités d'une magnétosphère avec la déviation du vent solaire et une protection contre les rayonnements mortels. Il n'existe pas à ce jour un tel dispositif à l'échelle d'un vaisseau spatial. Cependant, cette technologie pourrait être envisagée et certaines personnes se penchent déjà sur la question. Il s’agit en effet de la RAL (Rutherford Appleton Laboratory).
Aujourd’hui, Ruth Bamford, responsable du RAL, reprend cette idée et, selon sa propre description :
“Sur Terre, nous sommes surtout protégés par l’atmosphère, mais en fin de compte le champ magnétique de la Terre est la première ligne de protection pour la vie. Le concept derrière ce que nous proposons est dû à l’évolution de notre compréhension du plasma. Nous avons découvert que si vous mettez un champ magnétique autour d’un objet dans un flux de plasma, les électrons, qui sont très légers, suivront le nouveau champ magnétique que vous avez mis là, mais les ions, les ions très rapides, iront au-delà, ils ne suivront pas les lignes de champ magnétique.
Vous vous retrouvez avec un champ électrique constant qui peut être suffisant en cela qu’il réfracte réellement ou dévie suffisamment de rayonnement à l’intérieur de la cavité magnétique que vous avez formé pour protéger les astronautes … comme la Terre, assez pour qu’ils puissent survivre.”
Jusqu’à ce jour, le RAL n’a créé qu’une version miniature mais les résultats sont plus que concluants. Cela laisse donc espérer la possibilité de tels boucliers dans le futur. Et étonnamment, il dispose déjà d'un prototype dans ses laboratoires. L’équipe du RAL a testé un modèle à l’intérieur d’un réacteur à fusion qui produit un plasma similaire au vent solaire et les résultats sont satisfaisants. La science-fiction a donc bien ici inspiré la science !
Représentation animée de l'effet de la magnétosphère de Mercure (similaire à la Terre) face au vent solaire. La couleur rouge indique la densité des protons.
Représentation d'un bouclier déflecteur à échelle réduite par le laboratoire Rutherford Appleton