Un laser peut-il envoyer un vaisseau spatial sur Mars ? C'est la mission prévue du groupe de l'Université McGill, conçu pour répondre à la demande de la NASA. Un laser de 10 mètres de large sur Terre chaufferait le plasma d'hydrogène dans une chambre derrière le vaisseau spatial, créant une poussée d'hydrogène gazeux pour le vaisseau spatial et l'envoyant sur Mars en seulement 45 jours. Là, il ralentirait dans l'atmosphère martienne, livrant des fournitures aux colons humains, ou peut-être même un jour livrant les humains eux-mêmes.

En 2018, la NASA a mis les ingénieurs au défi de développer une mission vers Mars qui fournirait une charge utile d'au moins 1 000 kg en 45 jours maximum, ainsi que des trajets plus longs dans le système solaire et au-delà. Les courts délais de livraison sont motivés par le désir d'envoyer des charges utiles et, un jour, des astronautes sur Mars tout en minimisant les effets néfastes des rayons cosmiques galactiques et des tempêtes solaires. SpaceX d'Elon Musk suggère qu'une mission humaine sur Mars prendra six mois avec ses fusées à base de produits chimiques.

Le concept de McGill, appelé moteur laser-thermique, est basé sur un réseau de lasers infrarouges situés sur Terre, de 10 mètres de diamètre, combinant de nombreux faisceaux infrarouges invisibles, chacun avec une longueur d'onde d'environ un micron, pour une puissance totale de 100 mégawatts. Puissance nécessaire pour environ 80 000 foyers américains. La charge utile, orbitant sur une orbite terrestre moyenne elliptique, comportera un réflecteur qui dirigera un faisceau laser provenant de la Terre dans une chambre de chauffage contenant un plasma d'hydrogène. Une fois son noyau chauffé à 40 000 degrés Kelvin (72 000 degrés Fahrenheit), l'hydrogène gazeux circulant autour du noyau atteindra 10 000 K (18 000 degrés Fahrenheit) et sera expulsé par une buse, créant une poussée pour pousser le navire de la Terre avec un intervalle de 58 minutes. (Les propulseurs latéraux maintiendront le vaisseau aligné avec le faisceau laser pendant la rotation de la Terre.)

Lorsque le rayonnement s'arrête, la charge utile est soufflée à près de 17 kilomètres par seconde par rapport à la Terre, assez rapidement pour couvrir la distance orbitale de la Lune en seulement huit heures. Lorsqu'il atteindra l'atmosphère martienne dans un mois et demi, il roulera encore à 16 km/s ; cependant, une fois là-bas, placer la charge utile sur une orbite de 150 km autour de Mars sera un défi pour l'équipe d'ingénierie.

C'est délicat car la charge utile ne peut pas transporter le propulseur chimique pour lancer la fusée pour se ralentir - le propulseur nécessaire réduirait la masse de la charge utile à moins de 6% des 1 000 kg d'origine. Et jusqu'à ce que les habitants de la planète rouge puissent construire un réseau laser équivalent pour qu'un vaisseau qui approche utilise son réflecteur et sa chambre à plasma pour fournir une poussée inverse, l'aérocapture sera le seul moyen de ralentir la charge utile sur Mars.

Même ainsi, l'aérocapture ou l'aérofreinage dans l'atmosphère martienne peut être une manœuvre risquée, car le vaisseau spatial subit une décélération pouvant atteindre 8 g (où g est l'accélération due à la gravité à la surface de la Terre, 9,8 m/s2), à peu près la limite humaine , de quelques minutes seulement, puisqu'il a été filmé en un seul passage autour de Mars. Les flux de chaleur importants sur le navire dus au frottement avec l'atmosphère seront plus élevés que les matériaux traditionnels du système de protection thermique, mais pas ceux qui sont en développement actif.

La propulsion laser-thermique des engins spatiaux dans l'espace lointain - Mars et au-delà - contraste avec d'autres méthodes de transport précédemment proposées, telles que la propulsion laser-électrique, dans laquelle un faisceau laser frappe des éléments photovoltaïques (PV) derrière la charge utile ; un moteur solaire-électrique dans lequel la lumière du soleil sur les cellules photovoltaïques crée une traction ; un moteur électrique nucléaire, dans lequel le réacteur nucléaire génère de l'électricité qui produit des ions émis par le moteur ; et un système de propulsion thermique nucléaire, dans lequel la chaleur d'un réacteur nucléaire convertit le liquide en gaz, qui est expulsé d'une tuyère pour générer une poussée.

"La propulsion laser-thermique permet le transport rapide d'une tonne avec des réseaux laser de la taille d'un volley-ball - ce que la propulsion laser-électrique ne peut faire qu'avec des réseaux de classe kilométrique", explique Emmanuel Duplay, auteur principal de l'étude, qui a travaillé sur le projet d'une durée de deux ans dans le cadre du programme d'été du baccalauréat en études d'ingénieur à l'Université McGill. Duplay étudie actuellement à l'Université de technologie de Delft dans le cadre d'un programme de maîtrise ès sciences en génie aérospatial avec une spécialisation en vol spatial.Le grand avantage du concept de propulsion laser-thermique présenté par Duplay et al. est son rapport masse/puissance extrêmement faible, de l'ordre de 0,001 à 0,010 kg/kW - "sans précédent", écrivent-ils, "bien en dessous même de ceux donnés pour la technologie de propulsion nucléaire avancée, en raison du fait que la source d'énergie reste Le sol et le flux délivré peuvent être traités avec un réflecteur gonflable de faible masse.

Le mouvement laser-thermique a été étudié pour la première fois dans les années 1970 à l'aide de lasers CO2 de 10,6 microns, les plus puissants à l'époque. Les lasers à fibre optique modernes d'un micron, qui peuvent être combinés en réseaux phasés massivement parallèles avec de grands diamètres effectifs, signifient que la distance focale de transfert d'énergie est supérieure de deux ordres de grandeur - 50 000 km dans un laser Duplay.

Duplay explique que l'architecture laser multiéléments est en cours de développement par un groupe dirigé par le physicien Philip Lubin de l'Université de Californie à Santa Barbara. Le réseau du groupe Lubin utilise des amplificateurs laser individuels d'environ 100 watts chacun - chaque amplificateur est une simple boucle de fibre et de LED comme pompe, et peut être produit en série à peu de frais - de sorte que la mission martienne envisagée ici nécessiterait de l'ordre de 1 million amplificateurs individuels.

Les premiers humains sur Mars n'y arriveront probablement pas avec la technologie laser-thermique. "Cependant, à mesure que de plus de personnes font le voyage pour soutenir une colonie à long terme, nous aurons besoin de systèmes de propulsion qui nous y conduiront plus rapidement, ne serait-ce que pour éviter le risque de radiation", explique Duplay. Il estime qu'une mission laser-thermique vers Mars pourrait débuter 10 ans après les premiers vols humains, soit vers 2040.

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