La colonisation de l'espace

À la recherche de nouveaux matériaux (III)

Pour un nouveau matériau commercialisé, il y a mille matériaux utopiques ou dont la mise au point n'aboutit pas. Nous connaissons tous des matériaux spéciaux, souvent très résistants et légers, dont certains sont devenus très courants et même banal comme le nylon, le téflon, le mylar ou le pyrex. Plus récemment, les ingénieurs ont mis au point l'aérogel, le graphène, des métamatériaux, des métaux amorphes, de l'aluminium transparent ou encore des matériaux biotechnologiques. Qui sait ce que nous réserve l'avenir.

Les matériaux utilisés pour construire un vaisseau spatial sont très différents de ceux utilisés pour fabriquer un avion car ils n'évoluent pas dans les mêmes conditions de vol, et certainement pas dans le cas d'un vol interstellaire relativiste.

Nous avons tous vus des avions accidentés par de la grêle ou la collision avec des oiseaux. Le nez de l'appareil ou le bord des ailes est embouti et paraît aussi fragile qu'une feuille d'aluminium. Pourtant ces tôles sont supposées résister à une pression de plusieurs tonnes par cm². On n'ose imaginer ce qui se passerait si elles étaient frappées par une météorite aussi petite soit-elle (ce serait soit le trou d'air assuré avec probablement des dégâts ou des victimes exigeant un atterrissage d'urgence soit un embrasement si elle traverse une aile contenant du kérozène et y crée une étincelle). Quant aux navettes spatiales, elles ont souvent été percutées par des débris durant la phase de décollage et par des micrométéoroïdes pendant leur mission (cf. les retombées de satellites). Ces impacts créent localement une surpression de 365 GPa (la pression qui règne au centre de la Terre) et dégagent une température supérieure à 5700°C. Mais ce n'est rien comparé aux risques encourus par un vaisseau interstellaire animé d'une vitesse relativiste qui devra en théorie soutenir ce régime et bien d'autres impacts durant des mois et des années. On y reviendra.

Pour nous fixer une base de référence, quels sont les matériaux utilisés pour fabriquer les avions modernes, qu'ils soient civils ou militaires ainsi que la station ISS ?

Afin qu'un avion soit le plus léger possible tout en étant résistant, la structure des avions commerciaux est principalement constituée d'alliage d'aluminium (jusqu'à 75%) combinée à des matériaux composites (jusqu'à 30% contre 5% à l'époque de la conception du Concorde), de l'acier (~13%) et un peu d'alliages de titane (~6%).

Selon les tests effectués au laboratoire Ames du DoD (cf. Phys.org, 2006), actuellement le meilleur aluminium commercial de qualité aéronautique présente une résistance à la traction de 4922 kg/cm² (70000 psi ou livres par pouce carré), bien que cet alliage dépassa 7030 kg/cm² (100000 psi) lors de nombreux essais préliminaires.

Les avions de chasse les plus modernes sont composé d'alliages d'aluminum-yttrium-nickel qui permet par exemple d'alléger le F-35 Joint Strike Fighter de 158 kg soit 1.2% sans altérer sa résistance. Autrement dit, il peut transporter plus de carburant ou de charge utile tout en réduisant les coûts de production.

A gauche, les dégâts occasionnés lors d'un crash-test par un projectile en aluminium de 7.5 mm de diamètre projeté à 7 km/s dans une protection en Kevlar-Nextel destinée à protéger l'ATV de l'ESA et des modules de la station ISS. Il traversa ensuite un bouclier Whipple en aluminium de 1 mm d'épaisseur. A droite, les tuiles HRSI de la navette spatiale Atlantis (mission STS-117 en 2007) sous le fuselage avant, vers l'extrémité avant de l'aile gauche (la porte du train avant est visible en bas à gauche. L'objet blanc correspond à la porte ouverte de la soute). Les tuiles noires sont les nouvelles FRCI qui n'ont pas encore subi la rentrée atmosphérique. Au centre et à droite, grâce aux nouveaux matériaux et notamment des métaux ou du graphène transparent ultrarésistant (une épaisseur équivalente à celle d'un sac en plastique peut résister à une pression de 2 tonnes/cm2) à l'avenir il sera possible de fabriquer des hublots de vaisseaux spatiaux de forme circulaire ou rectangulaire offrant un niveau de sécurité bien supérieur aux modèles actuels. Ce type de graphène peut également résister à une température de 3900°C soit le double du verre ou de l'acier. Documents ESA-Stijn Laagland et NASA.

Les mêmes genres de matériaux sont utilisés pour la station ISS qui est très légère et se déforme au moindre choc ou torsion. Sa structure est principalement constituée d'alliage d'aluminium 2219-T6 (aluminium 2219 avec traitement thermique T6), un matériau très résistant à la chaleur, très solide et peu ductile. Pour l'extérieur, une partie de la surface de la station est protégée contre les débris par une couche isolante de Nextel et/ou de Kevlar (on retrouve le Nextel sous le capot des voitures). Certaines parties sont recouvertes d'un isolant multicouche de polyimide aluminisé (MLI). Certains endroits sont également recouvert de Bêta, une matière faite de silice recouverte de téflon.

Le métal extérieur exposé au vide, à la chaleur et aux rayonnements est généralement anodisé ou protégé de manière à accroître l'efficacité thermique et prévenir toute oxydation. Comme la navette ATV de l'ESA, certains panneaux métalliques sont composés de boucliers Whipple constitués d'un tissu tressé en aluminium de 1 mm d'épaisseur qui absorbe l'énergie des micrométéoroïdes. Ensemble, ce bouclier en aluminium complété par les couches de Nextel et de Kevlar représente une épaisseur de 128 mm, suffisante pour arrêter une balle d'aluminium de 7.5 mm de diamètre lancée à 7 km/s ou 25200 km/h. Si cela ne suffisait pas, la station ISS ou l'ATV est encore protégé par une paroi interne en aluminium de 3 mm d'épaisseur (cf. ce crash-test).

Pour les parties du vaisseau spatial subissant la friction et les accélérations les plus fortes (15.2 g) et des températures atteignant 1650°C lors de la rentrée atmosphérique (la base du nez, le bord d'attaque des ailes, l'empenage de la navette spatiale ou le bouclier thermique des capsules spatiales), les ingénieurs ont utilisé soit des tuiles en céramique à base de carbone (RCC) ou de silice (LI-900) (cf. les accidents de la navette spatiale) soit des matériaux réfractaires combinés à des matériaux ablatifs, c'est-à-dire un revêtement qui perd sa substance par érosion mécanique, changement d'état (sublimation) ou décomposition chimique.

Sur la fusée Saturn V, la flamme sortant de la tuyère du moteur F-1 de Rocketdyne, le plus puissant jamais construit, atteignait 3200°C. Le cône de la tuyère était fabriqué en Inconel X-750, un alliage de nickel avec différents métaux (Ti, Cr, Fe, etc) qui résiste à l'oxydation et à la corrosion, sur lequel était posé deux couches isolantes d'amiante de 1 et 1.5 mm d'épaisseur.

Pour les hublots, il existe aujourd'hui du graphène et des métaux transparents comme le SrVO₃ et le CaVO₃ à la fois très légers et plus résistants que le verre ou l'acier. Une épaisseur de graphène équivalente à celle d'un sac en plastique par exemple peut résister à une pression de 2 tonnes/cm².

Grâce aux nouveaux matériaux et notamment des métaux ou du graphène transparent ultrarésistant, à l'avenir il sera possible de fabriquer des hublots de vaisseaux spatiaux de forme circulaire ou rectangulaire offrant un niveau de sécurité bien supérieur aux modèles actuels. Ce type de graphène peut également résister à une température de 3900°C soit le double du verre ou de l'acier. Documents T.Lombry.

À l'intérieur de la station ISS, on trouve essentiellement de l'aluminium. Les surfaces intérieures sont généralement enduites ou peintes. Dans la mesure du possible, on évite les matériaux inflammables. Ainsi, le câblage par exemple peut avoir une isolation en silicone au lieu d'une isolation en PVC. Les tuyaux sont souvent en téflon. Enfin, les modules de charge utile sont fabriqués en aluminium mais leur coque extérieure est en époxy renforcé de fibres de graphite.

Soulignons que depuis 2001, la NASA étudie de nouveaux matériaux à bord de la station ISS sur une plate-forme exposée aux rigueurs de l'espace appelée MISSE. Les échantillons sélectionnés serviront demain à fabriquer les combinaisons des astronautes, les protections contre les micrométéoroïdes, le bouclier thermique ou à préserver les instruments de la poussière parmi d'autres applications.

Les turbines des avions supportant les chaleurs et les forces les plus élevées, utilisent des matériaux renforcés très spécifiques. Le compresseur est fabriqué en alliages métalliques (Ni, Co, Fe), la chambre de combustion qui supporte des températures de 2000°C est en superalliages comprenant des métaux réfractaires (W, Mo, Nb, Ta) et des céramiques parfois mélangées à des métaux. La turbine à haute pression où la température atteint 1500°C est en superalliage à base de nickel tandis que les aubes de la turbine à basse pression sur lesquelles s'excerce la force du fluide et atteint 950°C au décollage et 800°C en vol de croisière (B737 ou A320) est en superalliage à base de fer ou même en acier inoxydable. Le cône de la tuyère est en nickel et en alliage d'acier inoxydable, le revêtement étant en aluminium ou composé d'une matrice de polymère.

Pour tester et valider les performances des nouveaux matériaux, depuis quelques années les constructeurs et l'armée disposent de programmes robotisés capables de prédire le comportement des matériaux (cf. ce robot de la Navy sur YouTube).

Concernant les collisions en cours de vol, elles peuvent facilement être anticipées et évitées au moyen d'un système de navigation couplé à des radars comme nos véhicules et nos avions de chasse en sont déjà équipés mais dans une version à plus grande échelle et plus performante adaptée au vol sidéral. Il sera déjà moins facile voire impossible d'éviter les micrométéoroïdes. En effet, si un obus perforant peut percer un vaisseau blindé (tank, cuirassé ou porte-avion), animé d'une vitesse relativiste, même un grain de sable a plus d'énergie qu'un obus. Ainsi, une bille de 12 mm en aluminium projetée à 6.8 km/s (24480 km/h) dans un plaque de plomb crée un cratère de 9 cm de diamètre et 5.3 cm de profondeur (cf. les retombées de satellites). On imagine qu'il suffit donc d'utiliser un matériau plus résistant pour limiter la taille de l'impact. Mais ce ne sera pas suffisant à des vitesses relativistes.

Quant au fameux bouclier thermique, si pour une capsule spatiale rentrant dans l'atmosphère on peut utiliser divers matériaux résistant dont un matériau ablatif, pour protéger les futurs vaisseaux interstellaires, il faudra en plus une protection photoablative, c'est-à-dire capable de résister à un flux de photons dont l'énergie peut être excessivement élevée dans le cas des rayons X ou gamma.

La protection peut vraisemblabement être réalisée au moyen de panneaux de protections en graphène épais de quelques centimètres, des canons lasers directionnels et des boucliers de plasma utilisant un générateur de champ magnétique (cf. les expériences de la physicienne Ruth Bamford du laboratoire de Rutherford Appleton de l'Université d'Oxford). Si on applique ces technologies à des vaisseaux habités de la dimension d'un vaisseau générationnel (voir plus loin), ces projets représentent un budget faramineux pour lesquels nous manquons encore cruellement d'idées concrètes, en particulier pour optimiser l'installation et notamment pour réduire sa taille et son poids, sans parler de sa consommation d'énergie qui restent des défis technologiques.

Mais ce n'est pas les seuls problèmes que devront résoudre les futurs ingénieurs en astronautique car bien d'autres défis les attendent.

La gravité artificielle

Comment recréer ou plutôt simuler une gravité artificielle dans un vaisseau spatial ? Comme nous l'a bien expliqué Arthur C. Clarke dans "2001: l'odyssée de l'espace" de Stanley Kubrick (1968) et repris dans le film "Interstellar" de Christopher Nolan (2014), on peut créer une gravité de 1 g similaire à celle que nous resentons sur Terre en générant une accélération circulaire, c'est-à-dire en faisant lentement tourner le vaisseau spatial sur son axe.

La période de rotation ω du vaisseau dépend de son rayon R selon la formule : ω (rad.) = √(g/R) avec g l'accélération de la pesanteur soit 9.81 m/s². Pour un un vaisseau mesurant 1 km de diamètre, la vitesse angulaire est de 0.94 rpm ou rotation par minute soit une période de rotation de 1m 4s. La vitesse tangentielle atteint 99 m/s. S'il mesure 5 km de rayon, sa période de rotation tombe à une rotation toute les 2.3 minutes mais sa vitesse tangentielle atteint 221.4 m/s.

Si on examine la station Cooper du film "Interstellar" dont la longueur est inconnue, sur base de l'image suivante, pour obtenir une gravité de 1 g soit 9.8 m/s² dans la station permettant de marcher normalement, avec un rayon estimé à 171 m, on obtient une vitesse angulaire de 2.3 rotations par minute et une vitesse tangentielle de 41 m/s.

A consulter : Spincalc

A voir : Flatland de Aydin Büyüktas

2001: l'odyssée de l'espace (Allociné) - 2001: l'odyssée de l'espace (explications)

La colonie spatiale "Cooper" dans le film "Interstellar".

Document Paramount Pictures/Warner Bros Pictures.

Les accélérations

Les inventeurs de vaisseaux interstellaires ont également laissé de côté un autre problème majeur du vol spatial, celui des accélérations; on ne pilote pas du tout un vaisseau interstellaire comme une fusée habitée ou une navette spatiale !

Le pilote d'un vaisseau spatial de la taille d'une navette ou d'une fusée peut subir des accélérations violentes de quelques g pendant quelques secondes. Equipé d'une combinaison pressurisée, avec de l'expérience il peut subir ces désagréments quelques minutes si nécessaire.

En revanche, il n'est pas question de faire subir le même traitement à une station orbitale comme ISS au risque de la démanteler en quelques minutes. Encore moins à un vaisseau interstellaire mesurant 1 km de long dont la masse représente des milliards de tonnes ou pire, à une colonie spatiale de O'Neill dont la masse avoisine une dizaine de milliers de milliards de tonnes dans le cas de "Rama" !

Comme le précise Clarke (J'ai Lu, p111), une simple accélération de 0.02 g soit de 0.2 m/s², autrement dit en état d'impesanteur quasiment insignifiant à notre échelle produit des effets multipliés par mille sur une structure aussi massive, au point de produire des vagues pouvant peut-être dépasser plusieurs centaines de mètres de hauteur ! Malgré sa faible intensité, une telle accélération est suffisante pour aborder un système planétaire avec un vaisseau interstellaire de cette taille.

Le vaisseau interstellaire "Ascension" de classe Orion. Extrait de la minisérie TV "Ascension" de Philip Levens et Adrian A. Cruz sortie en 2014 et diffusée sur quelques chaînes francophones en 2019. A droite, vue plongeante sur le pont principal. Documents NBCUniversal.

Il en va tout autrement pour explorer la Galaxie. Mais on ne pourra jamais éviter les risques liés à une accélération trop brutale pour le personnel embarqué et sur la résistance des matériaux. Alors, quand on apprend que l'"Entreprise" du capitaine Kirk s'envole de l'orbite basse au quart de puissance (soit 0.25c et encaisserait au moins 50000 g), soit le conseiller scientifique était absent lors du scénario soit on est en pleine science-fiction ! C'est évident.

Le problème des accélérations soulève les questions du type de propulsion et le cas échéant du carburant.

Le mode de propulsion

Si nous voulons conquérir le ciel et explorer la Galaxie, il faut bien avouer que les voyages interstellaires proprement dit, comme ils sont relatés dans les romans de science-fiction et les films à grands spectacles restent encore utopiques.

Outre le problème de la nature de la coque et du blindage qui doivent offrir une protection efficace et pérenne face aux radiations cosmiques et aux collisions avec les astéroïdes, les micrométéorites et les particules relativistes, le mode ou le type de propulsion pose également d'énormes difficultés car c'est un sujet très complexe à maîtriser.

Il tout d'abord préciser que le but d'un moteur fusée n’est pas de pousser le vaisseau "contre quelque chose". Le meilleur rendement d’une fusée se produit dans le vide plutôt que dans l'atmosphère d'une planète. En effet, dans le vide les gaz peuvent être éjectés à grandes vitesses et sans résistance du milieu. En outre le mouvement du vaisseau n’est pas contrecarré par le retard pris par la dynamique des gaz.

Il existe au moins sept modes de propulsions "classiques", par opposition aux solutions exotiques (distorsion spatio-temporelle Warp drive, trou de ver, etc) :

- La propulsion chimique (à ergols liquides)

- La voile photonique (pression de radiation du Soleil ou d'un laser)

- La propulsion à plasma (électromagnétique ou laser)

- La propulsion électrique (effet hall ou à grille)

- La propulsion électromagnétique (EmDrive)

- La propulsion nucléaire (nucléo-thermique, par fission ou au moyen de bombes atomiques)

- La propulsion à laser thermique

- La propulsion à l'antimatière.

Documents NASA, Pat Rawlings, Les Bossinas, Bill Gleason et PSU.

Construire un vaisseau spatial habité pour explorer le centre de la Galaxie est un objectif très ambitieux mais bien à l'image de l'idée qu'on se fait du voyage interstellaire. Mais est-ce seulement réaliste ? A l'exception du Warp drive mais dont la technologie reste inconnue, tous les modes de propulsion y compris la voile photonique (voir plus bas) ont besoin de carburant pour décélérer et même un vaisseau à Warp drive aura besoin de carburant pour approcher un système planétaire à faible vitesse ou se poser au sol.

Pour atteindre un système stellaire dans un temps compatible avec la vie humaine, il faut atteindre une vitesse relativiste, c'est-à-dire au moins quelques dizaines de milliers de km/s. On y reviendra.

Le rapport poids/poussée

En astronautique, le rapport poids/poussée reste un problème crucial. Nous savons tous que plus une voiture est lourde pour une certaine puissance, plus son inertie sera difficile à vaincre; les accélérations seront plus lentes et sa vitesse de croisière sera plus difficile à atteindre. En astronautique, l’accélération est d’autant plus forte que la vitesse d’éjection de la matière est élevée. Si on songe explorer la Voie Lactée en l’espace de quelques dizaines d’années à une vitesse relativiste, il faut garantir une vitesse de croisière suffisante.

Mais pour garantir cette vitesse de croisière et pouvoir la modifier lors des approches planétaires, deux formules doivent être considérées : l’impulsion ou la poussée spécifique (1) et la quantité d’énergie émise (2).

La première formule intéresse la logistique car elle détermine la quantité de matière à embarquer. La vitesse d’éjection se trouvant au dénominateur de l’équation (1), plus la vitesse d’éjection est élevée, plus le rendement sera efficace et moins on puisera dans le stock d'ergols. Mais l’équation (2) vient tempérer notre ardeur. En effet, à poussée constante, si la vitesse d’éjection de la matière est maximale, la quantité d’énergie émise sera aussi maximale.

Lors d’une manoeuvre, qu’il s’agisse d’un décollage, d’un atterrissage ou d’un changement de cap, l’énergie développée par les moteurs n’est pas totalement emportée par la matière éjectée. Une partie doit être dissipée et il est à craindre qu’au-delà de quelques milliers de degrés, le réacteur nucléaire se consumera...

Une solution consiste à mettre au point des systèmes de confinement constitués de parois de plasma et de conduits magnétiques à supraconducteurs. Seul inconvénient, l’énergie requise pour contrôler ces dispositifs est très importante et nécessite une installation qui, aujourd’hui, reste très volumineuse.

Nous connaissons les avantages et les désavantages des moteurs chimiques, à pergol liquide depuis la première moitié du XX^e siècle. Leur principal défaut est de nécessiter des réservoirs très encombrants s’il s’agit de fusées à étages et un haut niveau de sécurité. Techniquement la poussée spécifique est limitée à une dizaine de minutes, le mélange idéal hydrogène-fluorine n’offrant qu’une poussée spécifique de 528 secondes.

Certains carburants exotiques tels l'hélium métastable permettrait d'augmenter cette poussée d'un facteur 4, mais pas supérieur. Au-delà, il faut envisager la propulsion ionique qui permet actuellement d'atteindre une impulsion spécifique variant entre 3100 s (moteur NSTAR de la sonde Deep Space 1) et 4100 s (moteur NEXT) ou la propulsion à plasma qui atteint des valeurs nettement plus élevées.

Du choix du carburant va dépendre l'énergie totale disponible et donc la vitesse d'éjection. Si une réaction entre noyaux d'hydrogène (²H - ²H) produit par exemple 1 unité d'énergie (sans compter les rayons gamma apportant 20 fois plus d'énergie mais très peu nombreux), une réaction entre ²H - ³He produit 4.5 fois plus d'énergie. L'avantage de la deuxième réaction est de ne pas produire de rayons gamma qui présentent plusieurs inconvénients (très haute énergie, activation des structures métalliques, insensibilité aux champs électromagnétiques, etc) et autant de défis technologiques.

Parmi les autres considérations techniques, au cours d'un vol relativiste il faut prévoir une phase de décélération qui se produit à mi-parcours de l'objectif. Pour freiner, le vaisseau consomme du carburant et doit donc embarquer deux fois plus de carburant que s'il arrivait à destination à pleine vitesse.

A partir du rapport de masse R et connaissant les distances D_a d'accélération et de décélération (freinage), on peut calculer la durée des accélérations T_a, décélération comprise, en posant q = ([2*(1-√(1-k))] / R) - 1 :

T_a = D_a / (qv_e)

Pour une distance d'accélération D_a = 1 a.l. et une poussée de 7 mégatonnes, il faut 30 gigatonnes de carburant !

A titre d'exemple, rien que pour placer un satellite en orbite basse (LEO) autour de la Terre, pour chaque kilo de charge utile il faut 19 tonnes de carburant. Autrement dit, pour placer un satellite de 100 tonnes sur l'orbite LEO, il fut embarquer 1900 tonnes de pergol.

Pour aller sur la Lune ou sur Mars avec une fusée conventionnelle (Δv = 3400 m/s) au moyen d'hypergols chimiques (v_e = 4500 m/s), le rapport R = 2.13; la quantité de carburant nécessaire représente 2.13 fois la masse totale de la fusée. Si elle pèse 1000 tonnes, avec le carburant sa masse au décollage sera de 2130 tonnes dont 1130 tonnes pour le carburant.

Nous avons vu qu'un vaisseau spatial comme le Daedalus présenté ci-dessous à droite permettrait d'atteindre le centre de la Voie Lactée en une quarantaine d'années. Un tel vaisseau pèse 54000 tonnes soit 18 fois plus que la fusée Saturn V dont 50000 tonnes sont constitués de carburant (³He) et seulement 450 tonnes sont consacrés aux moyens de survie individuels (nourriture, eau, etc). Espérons que la version d'Icarus sera optimisée.

A gauche, un avion-fusée avec équipage de génération X destiné à de courtes missions en orbite terrestre. Il est équipé d'un moteur mixte électrique pour les phases d'envol et d'atterrissage sur la Terre et à fusion (plasmique) pour le vol spatial. Les éléments sensibles à la chaleur sont fabriqués en graphène et en superalliages métalliques mélangés à des céramiques hautement réfractaires. Document T.Lombry. A droite, le vaisseau Daedalus selon Nick Stevens.

En résumé, plus la vitesse du vaisseau est élevée, plus la masse de carburant est importante et disproportionnée par rapport au poids du vaisseau. D'où l'intérêt de construire une fusée à étages ou un vaisseau modulaire pour pouvoir alléger la structure en fin de mission en larguant les réservoirs vides qui pénalisent l'accélération et le poids de la charge utile.

On comprend aisément que s'il n'y a pas suffisamment de carburant, soit on n'atteindra pas la vitesse optimale soit on ne parviendra pas à destination ou les deux et on tombera en panne sèche, à la dérive dans l'espace. La quantité de carburant va donc déterminer la durée du vol et donc le succès ou non de la mission.

Si on en croit les futurologues, le premier saut en-dehors du système solaire devrait se réaliser aux alentours de 2100 dans le cadre d’un projet similaire à Daedalus. Quelques siècles plus tard, lorsque les vaisseaux et les systèmes de propulsion seront fiables et performants, les premiers colons iront explorer la Galaxie. Certains futurologues pensent que cette vague d’émigration pourrait débuter vers 2300. Comme ils s'imaginent que l'état d'hibernation sera un jour maîtrisé.

Mais plus d'un expert sont sceptiques face à ces projections et autant de certitudes de la part de personnes qui finalement n'en savent rien du tout car elles n'ont jamais rien construit de tel ni même simulé, et se sont toujours trompées ! Nous verrons en dernière page qu'il y a de bonnes raisons pour mettre en doute ces projections farfelues.

Prochain chapitre

Performances des propulseurs