Coloniser l'Univers

[invite73192618]

(suite et fin)

Concernant la fontaine spatiale, je ne vois pas bien quelle idée tu propose... Il s'agit d'un concept de structure ancrée au sol.

Le concept original est de coupler deux techniques: une centrifugeuse qui envoi une série d'objets en orbite depuis le sol (mais avec un facteur g impropre aux êtres humains), et un ascenseur presque traditionnel qui prend appui sur la structure dynamique ainsi créée (évidement le problème principal est qu'à la moindre défaillance tout s'écroule). Pour envoyer des humains dans un voyage interstellaire, l'idée serait de reprendre ce concept en utilisant le space gun définit plus haut. Donc, il s'agit d'envoyer un train d'obus magnétiques (capables d'encaisser les g extrêmes inhérents à cette technique) à une fraction non négligeable de c, et que le vaisseau habité accélère progressivement en récupérant un partie de l'énergie cinétique de chaque obus (secondairement, un fois atteint une vitesse suffisante, des voiles magnétiques deviendrait suffisamment efficaces pour rattraper les premiers obus, et une arche pourrait alors s'en servir comme matière première potentielle... ou comme moyen de changer de cap). En fait, le principe est essentiellement similaire à utiliser une voile photonique avec, disons, de plus gros photons donc une voile moins grande.

Ca ne diminue pas les exigence de masse du corps de l'arche

Ah si, nécessairement la masse du carburant. Elle n'est pas si importante dans le cas de l'arche, mais c'est parce que tu as (choisi)/(été contraint de choisir du fait des contraintes liées au choix d'envoyer des humains biologiques à tout prix) de la faire aller à un train d'escargot. Dès que tu essais d'aller plus vite, tu retombes sur l'explosion auto-regressive du carburant pour le carburant, ce qui est précisément ce que vise à éviter les propositions de space gun ou autres voiles solaire/laser/maser.

Et avec ça, on ne sait même pas freiner... Il faut donc soit un système de voile encore plus grand qui soit envoyé en avant pour réflechir le flux vers l'arche, soit des moteurs.

Oui c'est la proposition originale, et oui moi aussi je trouve ça affreusement laid. Mais comme indiqué précédemment, la technique de la voile magnétique serait parfaitement adaptée dès que la vitesse est conséquente (d'ailleurs, que ce soit pour ralentir ou pour accélérer, l'avantage du premier cas est que cela génère de l'énergie récupérable plutôt qu'en consommer).

C'est exactement l'idée qui préside à la stucture de l'Arche : le matériaux des parois est vivant et donc se renouvelle dynamiquement. Et la présence d'homme à l'intérieur permet à un niveau encore supérieur de faire face aux imprévus.

C'est vrai, mais la difficulté de cette technique me semble qualitativement différente du reste de ta proposition d'arche. Un space gun ou une arche ou la fusion ou une consommation en exawatt, cela demeure dans de l'extrapolation "simplement" quantitative de techniques soient connues soit très probables. Une structure autoréplicante, on a besoin de progrès théoriques avant qu'il ne devienne envisageable d'estimer sa stabilité sur d'aussi longues périodes.

A un niveau très supérieur, oui, l'Arche est l'assurance vie de la biosphère, au sens où une fois diffusée dans la Galaxie, le système est virtuellement immortel. C'est de l'utilitarisme de très long terme, quasiment spirituel.

C'est une des choses qui nous rassemble dans ce débat.
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[cubique]

La colonisation de l'Univers telle que tu l'imagines est à priori impossible.

Comme chacun le sait, l'univers est en constante expansion et celle-ci ne discontinue pas, loin de là. Les distances galactique sont déjà considérables alors les distances de "l'univers", n'en parlons pas. Non contentes d'être déjà démesurées en elles-même ( en dizaines de millions d'années lumières pour les plus proches amas) celles-ci ont eu la merveilleuse idée de s'étirer davantage pour nous compliquer encore plus la tâche jusqu'à la rendre in fine impossible.

Notre groupe local va vraisemblablement se regrouper pour ne former qu'une seule et même grande galaxie. Mais ce nouveau-né galactique sera à ce moment là déjà loin de tout ce qui existe autour, y compris de l'amas de la vierge qui est notre plus proche voisin...

Donc je pense qu'il serait préférable de parler d'une colonisation galactique plutôt qu'une d'une colonisation de l'univers à priori impossible. d'ailleurs , même la colonisation galactique, si elle s'avère possible, prendra une éternité à se faire puisque à l'échelle galactique, en considérant qu'on puisse atteindre une vitesse proche de celle de la lumière, il nous faudrait pas moins de 40 000 ans pour atteindre ne serait-ce que le centre... ( si La collision avec Andromède n'a pas éjecté l'être humain hors de la galaxie.)

Et oui perspectives toujours réjouissante qu'est l'univers.

Il est permis de rêver certes mais le jour où on parviendra déjà à faire quelque chose sur la lune qui n'est qu'à 300 000 km, ça sera déjà pas mal.

[invite73192618]

La colonisation de l'Univers telle que tu l'imagines est à priori impossible.

Tu as raison, c'est à priori impossible. C'est bien pour cela qu'il faut le faire. C'est bien pour cela qu'on va le faire. Et nous ne le ferons pas parce que c'est facile. Nous le ferons parce que c'est difficile, et que alors nous dirons, le voici, le mètre étalon de nos efforts, de notre génie, et de notre détermination. Qui comptera l'Univers, devra nous compter! hommage à/plagiat de

OK je m'emballe un peu... allez un petit sigh pour la route:

http://abstrusegoose.com/strips/huma...ss_to_mars.png

[noir_ecaille]

D'un point de vue préventionniste, il est indispensable d'avoir du carburant en suffisance. Ne serait-ce que si la loi de Murphy amène l'arche à dévier de sa trajectoire, peu importe la raison.

Dailleurs : en ballistique, il est notoirement connu qu'un projectile finira toujours par dévier de sa trajectoire initiale.

Autre aspect : Voyager 1 et 2 nous ont appris que la sphères d'influence d'une étoile n'est pas tellement "concentrique" -- tout dépend du front d'onde avec le milieu interstéllaire. Ce même milieu interstellaire qui va donc dévier le "projectile" (arche ou sonde) lancé par le space gun. Et plus la distance sera grande, plus la/les déviation(s) sera/seront importante(s).

Je pense donc nécessaire de contrôler la trajectoire tout au long du voyage -- notamment en dirigeant ou redirigeant la poussée de réacteurs et de moyens similaires par leur côté interne/propre à l'arche. On ne fera donc pas tant une économie de moyens en utilisant un space-gun ou une fontaine spatiale (cette dernière n'est vraiment intéressante quoique dangereuse que pour une mis en orbite), surtout si on veut parer à un échec critique type sortie de la galaxie ou pourquoi pas capture par une exo-planète gazeuse errante. Pas la peine de parler d'une exploitation après coup des ressources de ladite exo-planète errante, si de toute façon on n'a pas les moyens pour -- dont un réservoir de taille conséquente tel que préconisé par Gilgamesh.

[invite73192618]

D'un point de vue préventionniste, il est indispensable d'avoir du carburant en suffisance. Ne serait-ce que si la loi de Murphy amène l'arche à dévier de sa trajectoire, peu importe la raison.

Je radote, mais une voile magnétique permet de changer de direction sans avoir besoin d'éjecter de la masse, donc avec une consommation de carburant nulle. Une autre façon de le voir, c'est que c'est l'énergie cinétique initiale qui est le carburant, d'une façon qui évite l'explosion exponentielle de la masse nécessaire en fonction de la vitesse. Pour une autre méthode qui présente le même avantage: http://en.wikipedia.org/wiki/Bussard_ramjet

[Gilgamesh]

Voile magnétique
Il y a un excellent PDF sur le sujet ici :
Solar Wind Sails


J'ai fait le calcul de ce que donnerait une voile magnétique pour décélérer l'arche, avec les paramètres suivants :

Densité de proton du MIS (milieu interstellaire) local n = 0,3 cm^-3
Masse proton m = 1,66.10^-27 kg
Densité du MIS rho = 5.10^-22 kg.m^-3
Charge élémentaire e = 1,6.10^-19 C
Rayon du solénoïde R = 100 km
Vitesse u = 4500 km/s
Courant I = 10⁶ A
Nombre de spire N = 1000
Champ magnétique au centre B0 = 6,2.10^-3 T

Moment magnétique M :



M = 3,14.10¹⁹ A.m²

Rayon de Larmor r :



r ~ 4 m

Longueur d'interaction L :



L ~ 3400 km

Coefficient de poussée C :



C ~ 3,6

Poussée F :



F ~ 6,6.10⁵ N

Soit qqchose de l'ordre du millionième de la poussée requise pour décélérer en un demi siècle qq dizaines de Gt.
Donc pourquoi pas en appoint : on embarque de toute façon un petit stock de métaux dans l'arche, on peut s'en servir pour fabriquer une grande boucle supraconductrice, et une fois le courant injecté, ça ne coûte rien. Mais ça reste quelque chose d'anecdotique dans le schéma technologique général. On aura toujours besoin de la corolle pour freiner.

[Gilgamesh]

La colonisation de l'Univers telle que tu l'imagines est à priori impossible.

Comme chacun le sait, l'univers est en constante expansion et celle-ci ne discontinue pas, loin de là. Les distances galactique sont déjà considérables alors les distances de "l'univers", n'en parlons pas. Non contentes d'être déjà démesurées en elles-même ( en dizaines de millions d'années lumières pour les plus proches amas) celles-ci ont eu la merveilleuse idée de s'étirer davantage pour nous compliquer encore plus la tâche jusqu'à la rendre in fine impossible.

Notre groupe local va vraisemblablement se regrouper pour ne former qu'une seule et même grande galaxie. Mais ce nouveau-né galactique sera à ce moment là déjà loin de tout ce qui existe autour, y compris de l'amas de la vierge qui est notre plus proche voisin...

Donc je pense qu'il serait préférable de parler d'une colonisation galactique plutôt qu'une d'une colonisation de l'univers à priori impossible. d'ailleurs , même la colonisation galactique, si elle s'avère possible, prendra une éternité à se faire puisque à l'échelle galactique, en considérant qu'on puisse atteindre une vitesse proche de celle de la lumière, il nous faudrait pas moins de 40 000 ans pour atteindre ne serait-ce que le centre... ( si La collision avec Andromède n'a pas éjecté l'être humain hors de la galaxie.)

Et oui perspectives toujours réjouissante qu'est l'univers.

Il est permis de rêver certes mais le jour où on parviendra déjà à faire quelque chose sur la lune qui n'est qu'à 300 000 km, ça sera déjà pas mal.

Effectivement, il s'agit d'une colonisation à l'échelle de la Galaxie, éventuellement poussée jusqu'au Groupe Local avec un essaim d'arches.

[invite73192618]

excellent PDF sur le sujet ici :
Solar Wind Sails

Super merci!

J'ai fait le calcul de ce que donnerait une voile magnétique pour décélérer l'arche (...) Soit qqchose de l'ordre du millionième de la poussée requise pour décélérer en un demi siècle qq dizaines de Gt.

Je te fais confiance sur les calculs, et merci pour t'être donnée la peine d'aller chercher ces équations. Mais encore un fois ces calculs sont comme estimer la puissance d'un statoréacteur en partant de la vitesse du vent. Ce que montrent tes équations, c'est que la force varie comme la puissance 6 de la vitesse. Si le dimensionnement choisit est tel que la force est 1 million de fois trop faible à une vitesse de 4500 km/s (c/66), alors elle est suffisante quand la vitesse est 10 fois plus grande (c/7), et surdimensionnée d'un facteur 100 pour la vitesse à laquelle j'aimerais voir ton arche aller (c/3).

[Gilgamesh]

Oui mais il faut pouvoir y arriver, à ces vitesses...

Ici j'ai fait le calcul en utilisant la formule relativiste de ratio des vitesse et en optimisant l'énergie de sorte que tant qu'on peut prendre la vitesse d'éjection u = 1,255 v on le fait, la limite supérieur étant donné par l'énergie des produits de réaction de la p+B11 qui est de 0,04c.

Cela expliquer le segment constant du bas de la courbe... Dès qu'on veut aller "plus vite qu'on éjecte du carburant", l'exponentiel reprend ses droits, et ça fait bien mal. Si on veut du c/7, le rapport de chargement Mc/M est de 1540 au lieu de 3,6. Et pour c/3 il atteint 30 000 000...

[invite73192618]

Oui mais il faut pouvoir y arriver, à ces vitesses... (...) Dès que ont veut aller "plus vite qu'on éjecte du carburant", l'exponentiel reprend ses droits, et ça fait bien mal.

Tout-à-fait d'accord, mais on n'en tire pas les mêmes conclusions. Tu conclus qu'il ne faut pas essayer d'aller plus vite. Je conclu qu'il faut utiliser une meilleure technique qu'un moteur embarqué. Amha, et détrompes moi si je dis une bêtise, la grande raison pour laquelle tu souhaites embarquer le moteur et le carburant, c'est parce que cela correspond à une option philosophique que l'arche soit indépendante de sa base de lancement. La voile magnétique montre toutefois qu'il y a moyen de respecter ce choix en grande partie, et ce même si l'arche dépend initialement d'un space gun fixe pour acquérir sa vitesse. En effet les passagers retrouveront rapidement une pleine indépendance une fois leur vitesse acquise, car ils pourront alors utiliser une voile magnétique pour changer de direction, ralentir sur une cible choisie, et récupérer énormément d'énergie qui pourra être dépensée dans la phase finale du vol (la mise en orbite à 'basse' vitesse). Pour repartir il devront reconstruire un nouveau space gun dans chaque nouveau système accosté, mais ce n'est pas conceptuellement différent de devoir s'arrêter pour faire le plein.

[EauPure]

Bonjour,
Je vous suggère de lire : "Echelle de Kardashev", sur Google.
C'est assez intéressant.
A +.

et si de la société de la connaissance émergeait des économies d'énergie capable de diviser par trois la consommation énergétique moyenne par personne comme le prévois société à 2000 watts

[EauPure]

Alors pour cette société, coloniser la galaxie par des robots et bien plus économe.
Qui nous dit que nous sommes le dernier chaînons alors même que nous avons du mal à trouver celui qui manque
Par contre la singularité technologique est bien là pour nous subodorer que nous ne sommes pas le dernier

[Geb]

Bonjour,

Pour une autre méthode qui présente le même avantage: http://en.wikipedia.org/wiki/Bussard_ramjet

Robert Bussard avait envisagé la chaîne proton-proton (PP1), qui comprend 3 étapes :

p + p → 2^D + e⁺ + v + 0,42 MeV
²D + p → ³He + γ + 5,49 MeV
³He + ³He → ⁴He + 2 p + 12,86 MeV

Le positron libéré lors de la première réaction de fusion se désintègre en libérant deux photons gamma selon la réaction :

e⁺ + e^- → 2γ + 1,02 MeV

Cette première réaction libère également des neutrinos électroniques qu'on considère comme des pertes (0,26 MeV). Les 2 deutériums possèdent le reste de l'énergie produite par la réaction (0,16 MeV). L'énergie nette potentiellement libérée par la chaîne proton-proton PP1 est de 19,53 MeV.

Bussard considérait la section efficace de la première réaction de la chaîne proton-proton comme un obstacle, sans pour autant être en mesure de proposer une solution :

Galactic Matter and Interstellar Flight (Bussard, 1960)

the reaction rate is limited by the necessity of beta-decay of a proton to a neutron plus positron

La solution vint 15 ans plus tard, en 1975, lorsque sur une intuition de Richard G. Couch, Daniel P. Whitmire écrivit un article proposant 2 substituts :

Relativistic Spaceflight and the Catalytic Nuclear Ramjet (Whitmire, 1975)

1) Le cycle CNO suivant :

¹²C + ¹H → ¹³N + γ + 1,95 MeV
¹³N → ¹³C + e⁺ + ν + 2,22 MeV
¹³C + ¹H → ¹⁴N + γ + 7,54 MeV
¹⁴N + ¹H → 15O + γ + 7,35 MeV
¹⁵O → ¹⁵N + e⁺ + ν + 2,75 MeV
¹⁵N + ¹H → ¹²C + ⁴He + 4,96 MeV

Dont la section efficace est supérieure d'un facteur 10¹⁸ à la chaîne proton-proton précédente.

2) La chaîne néon-sodium suivante (n'ayant pas trouvé de référence sur internet, j'ai calculé l'énergie libérée par chaque réaction moi-même) :

²⁰Ne + p = ²¹Na + γ + 2,43 MeV
²¹Na = ²¹Ne + e⁺ + v + 3,55 MeV
²¹Ne + p = ²²Na + γ + 5,61 MeV
²²Na + p = ²³Mg + γ + 7,07 MeV
²³Mg = ²³Na + e⁺ + v + 4,06 MeV
²³Na + p = ²⁰Ne + ⁴He + 1,87 MeV

Dont la section efficace est supérieure d'un facteur 10¹⁹ à la chaîne proton-proton.

La vitesse de réaction dans le réacteur à fusion d'un statoréacteur interstellaire a été multiplié d'un seul coup par 10¹⁸ à 10¹⁹. Pas mal, non ? Mais la réaction reste toujours la même : 4 protons rentrent et un atome d'hélium sort. La seul différence c'est l'emport d'un "catalyseur" (du carbone ou du néon), qui comme son nom l'indique, est restitué à la fin de la réaction.

Il y a cependant un problème de taille dans les suppositions du papier de Whitmire.

En effet, en 1975, Daniel Whitmire est contraint, dans son papier "Relativistic Spaceflight and the Catalytic Nuclear Ramjet", à imaginer l'utilisation du statoréacteur interstellaire de Bussard uniquement à l'intérieur des régions HII (nébuleuses où se forment des étoiles), où il estime la densité d'hydrogène à 1000 atomes/cm³.

Or, c'est 10000 à 15000 fois la densité moyenne d'atomes dans la Bulle Locale !

Pourtant, la découverte de la bulle locale et les premières estimations de la densité d'atomes dans celle-ci ont été réalisé au début des années 1960 (Fernie 1962, Eggen 1963, Fitzgerald 1968) grâce à l'analyse de l'absorption plus importante de la lumière bleue par les poussières en avant plan (interstellar reddening) d'étoiles de type O et A0 de la ceinture de Gould.

J'ai trouvé le papier de Fitzgerald, et une image de 2002 par Frisch, de l'Université de Chicago, membre du projet Solar Journey.J’ignore si, dès 1962, il s'agissait déjà de la valeur moderne (0,1 atomes/cm³), ou si celle-ci n'apparaîtra que plus tard.

En fait, depuis 44000 à 150000 ans, le Soleil est entré dans le nuage interstellaire local d'environ 30 a.-l. de diamètre et d'une densité d'environ 0,1 atome/cm³. Ce nuage est environ 2 fois plus dense que la bulle locale, qui a entre 330 et 490 a.-l. De diamètre et une densité d'environ 0,07 atome/cm³.

On pense depuis 1996 que l'évènement à l'origine de la bulle locale est l'explosion d'une supernova, dont il ne reste plus actuellement que le pulsar connu sous le nom de Geminga, qui aurait explosé dans la banlieue du Soleil il y a 340000 ans.

Le Soleil est donc, malheureusement pour le concept du statoréacteur interstellaire, dans une région peu dense de la Voie Lactée dans laquelle la densité galactique moyenne est estimée à 0,5 atome/cm³.

Une difficulté supplémentaire pour le statoréacteur interstellaire est donc que la densité de matière est moins importante que celle estimée auparavant. En 1960, Bussard utilise une densité de 1 atome/cm³, soit 10 fois plus que ce qui est mesuré jusqu'à environ 30 a.-l. Et près de 15 fois plus que ce qui est effectivement mesuré jusqu'à entre 300 et 500 a.-l.

Ces 40 dernières années, il y a eu 2 publications "classiques" argumentant contre la faisabilité du statoréacteur interstellaire :

- Un papier publié en 1978 par Heppenheimer intitulé "On the Infeasibility of Interstellar Ramjets".
- Un papier coécrit par Robert Zubrin et Dana Andrews, publié en 1989 et dont j'ignore jusqu'à l'intitulé.

Voici l'abstract du papier de Heppenheimer :

On the infeasibility of interstellar ramjets (Heppenheimer, 1978)

The concept of the interstellar ramjet is treated in consideration of aspects of elementary topics in radiative gas dynamics. The ramjet is assumed to run off the burning of deuterium in the interstellar medium. Of concern is the state of the plasma in the thrust chamber. If the plasma is optically thick then, for minimum plasma compression, one requires a Fermi-degenerate plasma, energy generation at close to the solar luminosity, and a ramscoop one-half light-year in diameter. If the plasma is optically thin then its radiative emission is dominated by free-free bremsstrahlung, which exceeds the energy gain from thermo-nuclear burning by at least nine orders of magnitude. It is concluded that the interstellar ramjet is infeasible as a propulsion mode.

Je crois que la conclusion de Heppenheimer (l'infaisabilité du statoréacteur interstellaire) est à jeter sur les bases qu'il a choisies, à savoir l'utilisation du deutérium interstellaire (si je comprends bien "to run off" comme "exécuter"). Résultat : un champ magnétique d'un diamètre de 0,5 année-lumière, et selon lui, des pertes par rayonnement continu de freinage 1 milliard de fois plus grandes que la puissance fournie par la fusion. Il n'avait visiblement pas connaissance du papier de 1975 de Whitmire sur le statoréacteur interstellaire de type "catalytique".

J'ai trouvé un site internet qui parle du statoréacteur de Bussard, et qui parle de l'effet de la traînée. Extrait :

Bussard Ramjet

Things started to unravel in 1978. T. A. Heppenheimer wrote an article in Journal of the British Interplanetary Society entitled "On the Infeasibility of Interstellar Ramjets." Heppenheimer applies radiative gas dynamics to ramjet design and proves that radiative losses (via bremsstrahlung and other similar synchrotron radiation-type mechanisms) from attempting to compress the ram flow for a fusion burn would exceed the fusion energy generated by nine orders of magnitude, that is, one billion times. The energy losses will probably show up as drag. This was confirmed by Dana Andrews and Robert Zubrin in 1989.

The effect of drag? What it boiled down to was that the ramjet had a maximum speed, where the relative velocity of the incoming hydrogen equaled the drive's exhaust velocity. It has a "terminal velocity", in other words.

A proton-proton fusion drive has an exhaust velocity of 12% c, so a proton-proton fusion Bussard Ramjet would have a maximum speed of 12% c. You may remember that a spacecraft with a mass ratio that equals e (that is, 2.71828...) will have a total deltaV is exactly equal to the exhaust velocity. So if a conventional fusion rocket with a mass ratio of 3 or more has a better deltaV than a Bussard Ramjet, what's the point of using a ramjet?

Encore une fois, si Heppenheimer utilise le deutérium au lieu d'utiliser les cycles catalytiques proposés par Whitmire, il est normal que les pertes soient "un milliard de fois" supérieures à l'énergie obtenue par la fusion.

Whitmire et Jackson avait suggéré en 1977 que l'on pourrait prédisposer des conteneurs de carburants dans le milieu interstellaire sur le chemin entre deux étoiles, une sorte d'autoroute avec des stations-service en somme. Il y a bien entendu un problème de ligne de visée. En outre, il faut bien le transporter jusque-là ce carburant et il n'est pas dit qu'assez de carburant puisse être disposé pour atteindre une accélération suffisante. Il va s'en dire qu'une fois que le carburant vient à manquer... En 1979, G. L. Matloff en a conclu que ce système pourrait permettre une vitesse de 0,1 c, ce qui n'est déjà pas mal.

Dans le papier original de Bussard (1960), on peut lire ceci :

For any flight at all we must accelerate our ramjet vehicle by rocket boosting to some finite initial velocity […] Boosting to velocities readily reached by present-day chemical rockets would be sufficient for any desired interstellar flight.

D'après l'article de Wikipedia (en anglais) sur le statoréacteur de Bussard, le papier de Zubrin et Andrews semble bien indiquer que ce n'est pas le cas :

Robert Zubrin and Dana Andrews analyzed one hypothetical version of the Bussard ramscoop and ramjet design in 1985. They determined that their version of the ramjet would be unable to accelerate into the solar wind. However, in their calculations they assumed that:

1. The exhaust velocity of their interplanetary ion propulsion ramjet could not exceed 100,000 m/s (100 km/s);
2. The largest available energy source could be a 500 kilowatt nuclear fission reactor.

Cependant, leurs hypothèses de départ sont étranges :

En ce qui concerne le point 1, La vitesse d'une particule issue d'une réaction de fusion nucléaire est typiquement, d'environ 10.000 km/s, soit 100 fois l'hypothèse de départ de Zubrin et Andrews.

Pour être plus précis, les produits d'une réaction D-D sont de deux types :

(1) ²D + ²D = ³T (1,01 MeV) + ¹H (3,02 MeV)
(2) ²D + ²D = ³He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV)

La deuxième réaction ne libère qu'un seul atome chargé (l'hélium-3) avec une énergie d'à peine 820 keV. Néanmoins, si mes calculs sont exacts, cela correspond déjà à une vitesse de 8.870 km/s.

Par rapport au point 2, je me demande d’abord si les 500 kW concernent une puissance thermique ou une puissance électrique. Ensute, pourquoi à peine 500 kW ? C’est tout à leur honneur de vouloir envisager des solutions technologiques à court terme (il y a un projet de réacteur nucléaire spatial russe prévu pour 2018), mais c’est un peu débile dans le cadre d’un projet dont on peut penser qu’il ne serait pas effectivement construit avant au moins 2 siècles, non ? Si on va voir plus loin, un concept de réacteur à fusion comme le Polywell (également inventé par Bussard) pourrait (théoriquement au moins) permettre des réacteurs de 10245 MWth (Bussard & Jameson, 1994). D'ailleurs, d’après le papier susmentionné, si un premier étage utilisant des propulseurs alimentés par la fusion p¹¹B pouvait accélérer à l'impulsion spécifique maximale (1,2 x 10⁶ s) pendant plusieurs dizaines d'années, se désolidarisant du vaisseau à des dizaines de milliers d'unités astronomiques de la Terre, il pourrait permettre d'accélérer un statoréacteur interstellaire jusqu'à 1 ou 2 % de la vitesse de la lumière. Par contre, ce n'est désirable ni dans le cas d'un vaisseau habité, ni dans le cas d'une sonde automatique.

Cordialement.

[Geb]

Un des essais les plus abouti pour imaginer un vaisseau interstellaire fut celui du projet Daedalus (1973-1978) mené par Alan Bond, plus connu comme étant l'instigateur du projet HOTOL et de son successeur le Skylon, toujours en cours.

En essayant de trouver plus de détails sur les propulseurs de Daedalus, utilisant la "fusion pulsée", je suis tombé sur un fichier Word :

PROJECT DAEDALUS: THE PROPULSION SYSTEM Part 1

L'extrait sur le statoréacteur interstellaire :

The interstellar ramjet [21], in contrast with most other systems, does not carry its propellant along with the vehicle, but scoops up the gas in interstellar space. This gas is then fed into fusion reactors to produce power from the energy released when the nuclei of hydrogen are fused. Thus, the vehicle is envisaged as a relatively small craft carrying only a small amount of propellant and power-producing materials. This vehicle is the centre of a magnetic scoop spreading out thousands of kilometres from the vehicle. The gas in space is ionised (for example, by shining lasers at it), and the ions are then swept up by the magnetic field. The potential of such a system is enormous, and it is the only method proposed which really carries hope of travel among the stars.
However, at present there are many limitations which must be taken into account when considering application to interstellar missions in the near future. These limitations have been discussed previously [22], and will only be briefly mentioned here.
The relative kinetic energy of the interstellar gas must not be dissipated by mass or energy losses from the intake, as any such loss will set a limit to the acceleration which can be achieved [23, 24]. Thus, the scoop must be very efficient at energy containment.
If a magnetic field is used to create the scoop, then the section of the vehicle which contains the sources of the magnetic field must be strong enough to withstand the forces exerted upon these sources by the fields which they create. That is, the magnetic field energy must be balanced by mechanical forces [25. 26]. The magnetic flux density of the scoop must increase as the velocity increases, in order to contain the Ions, and the strength of known materials will set a limit to the acceleration period, and the attainable velocities, before the structure is destroyed by the magnetic field forces. Even if a field of sufficiently high flux density can be achieved, at low velocities the effective scoop radius must be very large in order to collect sufficient ions to fuel the reactors from the very diffuse gas of interstellar space [27].
In a variant of the pure ramjet, the Ram Augmented Interstellar Rocket (RAIR) [28], the vehicle carries its own nuclear fuel supply and exhausts the reaction products to produce thrust. However, it enhances it performance by scooping up the interstellar medium and using its momentum and kinetic energy to augment that of the rocket. It still suffers from the intake problems associated with the pure ramjet, but avoids the reactor problems inherent in the proton cycle.
The augmentation of relatively modest magnetic fields by electrostatic fields has been considered in some detail [29], but formidable problems still remain and it is not dear that such augmentation would allow a reasonably sized vehicle to perform the reference mission in any case. Thus, to build an interstellar ramjet, even to operate at 0.15c , would require a level of technology capable of building and working with very high strength materials, producing and controlling to a very fine degree Intense magnetic and electric fields which project over very large distances, controlling the stability of plasmas in such fields and keeping the energy losses in these plasmas at a low level, and constructing efficient thermonuclear fusion reactors which run on the proton (and possibly the deuterium) cycle. These achievements are not within a reasonable extrapolation of modem technology.

La bibliographie est plus étoffée sur les travaux analysant la faisabilité du statoréacteur interstellaire :

[21] R. W. Bussard, "Galactic matter and interstellar flight" (1960).
[22] A. R. Martin, "Some limitations of the Interstellar ramjet" (1972).
[23] G. Marx, "The mechanical efficiency of Interstellar vehicles" (1963).
[24] E. J. Optic, "Is Interstellar travel possible?" (1964).
[25] J. F. Fishback, "Relativists Interstellar space flight" (1969).
[26] A. R. Martin, "Structural limitations on Interstellar space flight" (1971).
[27] A. R. Martin, "Magnetic Intake limitations on Interstellar ramjets" (1973).
[28] A. Bond, "An analysis of the potential performance of the Ram Augmented Interstellar Rocket" (1974).
[29] G. L. Matloff and A. J. Fennelly, "Interstellar applications and limitations of several electrostatic/electromagnetic ion collection techniques" (1977).

Cependant, j'ignore pour quelle raison, mais le papier de Whitmire n'est, encore une fois, même pas cité.

J'ai trouvé quelques infos supplémentaires concernant le contenu des publications mentionnées plus haut.

Déjà en 1960, comme nous l'avons vu, Bussard se plaint de la lenteur de la chaîne proton-proton. Conformément aux critères de Lawson, la section efficace extrêmement faible doit être contrebalancée par de très grandes densités dans le réacteur. Cependant à haute densité, les pertes radiatives du plasma excèdent le taux de production d'énergie et une réaction de fusion contrôlée avec la chaîne proton-proton n'est plus possible (Martin, 1973).

Comme mentionné précédemment, Whitmire a trouvé une solution en 1975, qui consiste à transporter un catalyseur sous forme de carbone ou de néon, qui permettent respectivement une réaction 10¹⁸ et 10¹⁹ fois plus rapides que la chaîne proton-proton. En outre Whitmire a été en mesure de démontrer qu'un statoréacteur de type catalytique était théoriquement capable de maintenir une accélération de 10 m/s².

Ce problème apparemment résolu, il y en a de plus sérieux avec le collecteur de protons. L'hydrogène interstellaire est naturellement neutre et donc insensible aux champs électromagnétiques. Il doit être ionisé artificiellement avant de pouvoir être collecté.

Fishback (en 1969) et Martin (en 1973) on démontré que la forme du champ magnétique nécessaire ressemblait à un miroir magnétique : beaucoup de particules attirées par le champ vont finalement être réfléchies par celui-ci. En outre, les particules chargées tournent autour des lignes de champ, et si le rayon de giration est supérieur au rayon de l'ouverture de la bouche d'entrée, ces particules n'entreront pas dans le vaisseau. Martin (en 1973) trouva une relation pour maximiser le nombre incident de particules qui entrent dans le réacteur, qui implique que la force du champ magnétique doit augmenter avec la vitesse : de quelques centaines de Teslas à 0,01 % de c à 10⁷ Teslas à 90 % de c. En considérant que 1000 Teslas était une limite technologique impossible à dépasser, Martin trouva une fraction de 1,3 x 10^-12 particules entrant dans le réacteur. Cette fraction entrante extrêmement faible impliquait que la surface collectrice devait augmenter en conséquence.

Fishback a aussi montré dans son papier de 1969 qu'un statoréacteur interstellaire ne pourrait pas accélérer indéfiniment à 10 m/s², à cause de la résistance finie des matériaux contraints au sein de tels champs magnétiques.

Cependant, Matloff et Fennelly ont démontré en 1977 que certains des problèmes associés avec le collecteur magnétique pouvaient être résolus avec des champs électrostatiques. En effet, pour une densité de 0,1 ion/cm³, une charge de 20 Coulombs aurait un rayon d'influence effectif d'environ 240.000 km. Cette charge serait utilisée pour attirer les ions dans les parages du vaisseau, et d'autres champs électriques ou magnétiques seraient utilisés pour les conduire jusqu'au réacteur.

Pour info, Bussard avec une densité de 1 proton/cm³ et un vaisseau de 1000 tonnes réclamait une surface collectrice de 10000 km², soit un rayon de 56,42 km. Avec un vaisseau de 3500 tonnes et une densité réaliste de 0,1 proton/cm³, le rayon nécessaire passe à 10000 km. Soit bien en-dessous des 240000 km possible avec le champ électrostatique envisagé ci-dessus.

Le problème étant dès lors que 3500 tonnes est une supposition franchement ridicule, et que l’énergie dégagée et dissipée par les réacteurs du vaisseau serait suffisante pour le faire fondre, même en supposant des pertes quasiment nulles.

A. R. Martin, "Some limitations of the Interstellar ramjet" (1972).
J. F. Fishback, "Relativistic interstellar spaceflight" (1969).
A. R. Martin, "Structural limitations on Interstellar space flight" (1971).
A. R. Martin, "Magnetic Intake limitations on Interstellar ramjets" (1973).
G. L. Matloff and A. J. Fennelly, "Interstellar applications and limitations of several electrostatic/electromagnetic ion collection techniques" (1977).

Tout ça pour conclure que le statoréacteur interstellaire de Bussard, et même la version "catalytique" de Whitmire, présentent des problèmes techniques assez redoutables, qui même à l'échelle de un ou deux siècles, ne sont pas forcément susceptibles d'être résolus.

Cordialement.

[invite73192618]

Un des essais les plus abouti pour imaginer un vaisseau interstellaire fut celui du projet Daedalus (1973-1978) mené par Alan Bond, plus connu comme étant l'instigateur du projet HOTOL et de son successeur le Skylon, toujours en cours.

Oui, cela me parait de loin la proposition la plus "proche technologiquement" pour une colonisation à des vitesses de l'ordre de 0.1c. Par contre je ne pense pas que ce soit une solution raisonnable si, dans un délai de 50 ans correspondant à la durée d'une mission type Orion/Dédale, on peut raisonnablement penser pouvoir développer des technologies permettant à un autre type de vaisseau de rattraper et dépasser les premiers.

Tout ça pour conclure que le statoréacteur interstellaire de Bussard, et même la version "catalytique" de Whitmire, présentent des problèmes techniques assez redoutables, qui même à l'échelle de un ou deux siècles, ne sont pas forcément susceptibles d'être résolus.

Tout-à-fait d'accord. Par contre je suis toujours surpris de voir autant d'emphase sur des problèmes qui concernent surtout les "basses vitesses", alors qu'il me semble y avoir un raisonnement à la fois plus simple et qui concerne les hautes vitesses -celles pour lesquelles on commence vraiment à avoir des problèmes de quantité de carburant et donc le besoin de les résoudre.

D'une manière simplifiée, les statoréacteurs de ce type font trois choses: collecter un proton, le transformer en énergie, exercer une poussée. Or, dès qu'on parle des hautes vitesses, les protons à collecter sont relativistes, donc il faut consacrer d'autant plus d'énergie à les arrêter qu'on va vite: à la vitesse de 0.1c, collecter un proton coûte au minimum 0.5% de sa masse; à 0.22c, c'est 2.5% (soit autant que l'énergie issue de sa fusion).

Whitemire mentionne rapidement ce problème et le balai sous le tapis en proposant de collecter l'énergie incidente sous forme électrique puis de la retourner à la propulsion, mais il ne discute pas des contraintes que cela implique sur le rendement. Or, et étant donnée la différence des énergies en jeu entre fusion et énergie cinétique relativiste, le calcul est très contraignant: avec un rendement de 0.1 entre l'énergie cinétique incidente et celle récupérée sous forme utile (ce qui serait remarquable et n'est possiblement pas atteignable selon l'architecture de la surface collectrice et du réacteur fournissant la poussée) on ne dépasserait pas 0.7% de la vitesse de la lumière; avec un rendement de 0.5, on ne dépasserait pas 16% de c (ce qu'on peut atteindre plus simplement avec un projet type Dédale); seul un rendement de 0.9 permettrait d'atteindre -mais pas dépasser- 0.6c.

Bref, les calculs montrent que c'est horrible à basse vitesse, et guère mieux à haute même avec une fusion catalysée. Par contre il y a une échappatoire possible mais qui demande des progrès dont on ne sait pas vraiment s'ils sont possibles: avoir un réacteur à hydrogène capable d'extraire une fraction beaucoup plus importante que le 2.5% correspondant à la fusion en hélium. Dans tous les cas, cela montre que le système de récupération de l'énergie cinétique est en fait le principal facteur limitant -donc le premier aspect à optimiser.

Au plaisir

[Geb]

Pour une masse grosso modo équivalente à l'arche, on peut créer un space gun de quelques dizaines de milliers de km de long et s'en servir pour projeter des vaisseaux colonisateurs dotés de voiles magnétiques pour la décélération. La forte accélération au départ impose à priori des robots. Si on tient aux humains, il y a quelques variantes certes plus coûteuses mais quand même beaucoup moins inefficaces que le modèle fusée (fontaines spatiales; voiles solaires alimentés par laser ou maser, et... ça fait le tour à ma connaissance).

Une arche avec des propulseurs à fusion aneutronique (de type Polywell) me paraît toujours le compromis le plus fiable. À part les voiles magnétiques et solaires, il n'y a rien d'élégant à mes yeux dans les propositions mentionnées.

En outre, on aurait eu une chance d'expérimenter si le concept de M2P2 avait été poursuivi. Même s'il ne permet, dans un effort à petit échelle à la portée du budget des agences spatiales actuelles, que des vitesses estimées à l'origine entre 50 et 80 km/s.

Le fait est que depuis l'abandon des efforts expérimentaux en laboratoire en 2002, au profit du VASIMR (au grand dam de Robert Zubrin), le seul moyen d'explorer plus avant le concept M2P2 (très intéressant à mes yeux) est la simulation numérique. Une étude de l'ESA s'en plaignait encore en 2013 :

Advanced Plasma (Propulsion) Concepts at IRS (Herdrich et al., 2013)

En page 5 du pdf on peut lire :

Thus, the charged particles are deflected and produce a momentum transfer to the magnetosphere and finally to the space craft. This final momentum transfer depends on the magnitude of the interaction cross section between the magnetic field and the particles. The biggest problem of this concept is that a coil with a very large diameter of several km and a current of several kA are essential to produce a non-negligible momentum transfer to the magnetosphere. It was therefore proposed to inject plasma into the field [35], causing an inflation of the magnetic bubble […]

According to recent theoretical studies the enlarged magnetosphere measures 20 [36] to 80 km [37]. This huge diameter is the problem for experiments of M2P2. Only limited experimental research focuses on the change of a magnetic field after the injection of the plasma [38, 39]. Thus, numerical simulation is essential for M2P2 studies. There are currently two main concepts for simulating the M2P2 system. The first is an MHD approach used in [36], the second proposed in [37] is a hybrid one joining MHD and kinetic equations. Results in thrust and size differ of six orders of magnitude between the two approaches making statements about an eventual practical use of M2P2 extremely difficult. The reason for the differences are the different spatial scales of the underlying model spanning from a few centimeters up to approximately 50 km, which is a great numerical difficulty. On one hand the MHD approach is not valid for all required scales on the other hand the coupling in a hybrid approach is difficult and the kinetic approach is a great computational effort.

Les différentes simulations numériques offrent des résultats divergents de 6 ordres de grandeur en ce qui concerne la poussée et la taille des dispositifs M2P2 ! La seule solution dans ce cas serait d'expérimenter. Mais ce n'est pas encore à l'ordre du jour, étant donné l'absence concrète d'espoir véritable de résultats probants au niveau des simulations numériques...

Cordialement.

[Gilgamesh]

Une arche avec des propulseurs à fusion aneutronique (de type Polywell) me paraît toujours le compromis le plus fiable.

Oui, et par rapport au Polywell, dans l'hypothèse que ce ne serait pas une fausse piste, il faut imaginer qu'il forme le coeur d'un dispositif de chauffage d'un plasma de type VASIMR. L'idée est que l'éjection directe des particules ne constitue pas l'optimum énergétique. Le rendement propulsif tend vers 1 quand l'éjection se fait à la vitesse du vaisseau (vitesses mesurées dans le référentiel au repos du départ, disons pour simplifier).

Comme la question de l'énergie propulsive prime toute les autres pour une telle entreprise, il faut tendre à l'optimum, économiser au maximum sur la ressource rare, le bore 11. Il est plus économique énergétiquement parlant, de partir avec une arche très massive, chargé en un fluide propulsif facile à collecter et à stocker, typiquement de la glace d'eau. Technologiquement l'hydrogène serait plus optimal (son éjection procure la meilleure impulsion spécifique), mais il est bien plus compliqué à stocker.