Se protéger des poussières : du bouclier Whipple au voyage à 0,2 c
Lancé à 10 km/s, un grain de poussière peut percer une paroi métallique. En 1946, l'astronome Fred Whipple a trouvé la parade : sacrifier une fine feuille pour sauver la coque. Mais à 20 % de la vitesse de la lumière, les règles changent.
L'espace n'est pas vide. Des grains de poussière arrachés aux comètes et aux astéroïdes y circulent, auxquels s'ajoutent, autour de la Terre, les débris laissés par des décennies d'activité spatiale. Ils sont minuscules, mais ils vont très vite : en orbite, la vitesse moyenne d'une micrométéorite par rapport à un satellite est de l'ordre de 10 km/s. À cette vitesse, l'énergie cinétique E_c = \tfrac{1}{2} m v^2 atteint 50 kilojoules par gramme, environ douze fois l'énergie contenue dans un gramme de TNT. Un grain de la taille d'un grain de sable peut alors faire un cratère, voire percer une paroi.
L'idée de Fred Whipple
Dès 1946, bien avant le premier satellite, l'astronome américain Fred Whipple propose une solution contre-intuitive. Plutôt que d'épaissir la coque, on place à quelque distance devant elle une feuille mince, qu'il appelle « pare-chocs à météores ». Aujourd'hui, on parle de bouclier Whipple.
Le principe tient à la violence même du choc. En frappant la feuille, le grain est pulvérisé et vaporisé avec une partie de celle-ci ; il se transforme en un nuage de fragments, de gouttelettes et de plasma. Ce nuage s'étale dans l'espace vide qui sépare la feuille de la paroi principale. Quand il l'atteint, son énergie est répartie sur une large surface, et il ne parvient plus à la percer. La feuille avant est sacrifiée ; la coque est sauvée. À masse égale, deux parois séparées protègent bien mieux qu'une seule paroi épaisse.
Tester l'hypervitesse
Rien n'est intuitif dans ce domaine. Aux vitesses de plusieurs kilomètres par seconde, les pressions du choc dépassent de loin la résistance des matériaux, qui se comportent presque comme des fluides. Pour concevoir ces boucliers, les ingénieurs tirent donc de petits projectiles sur des maquettes à l'aide de canons à gaz léger, capables d'atteindre plusieurs kilomètres par seconde, puis complètent ces essais par des simulations numériques pour les vitesses plus élevées. Ils jouent sur l'épaisseur de la première feuille, l'écartement entre les parois et l'ajout de couches intermédiaires en tissus très résistants.
De la Station spatiale aux comètes
La Station spatiale internationale, qui tourne autour de la Terre à environ 28 000 km/h, est la plus grande utilisatrice de ces protections : ses modules habités sont couverts de boucliers fondés sur le principe de Whipple, plus ou moins renforcés selon l'exposition de chaque partie.
Les sondes qui vont à la rencontre des comètes en ont encore plus besoin. En 1986, Giotto, première mission lointaine de l'Agence spatiale européenne, a traversé la chevelure de la comète de Halley à une vitesse relative de plusieurs dizaines de kilomètres par seconde, protégée à l'avant par un bouclier à double paroi conçu sur ce principe ; elle a ensuite rendu visite à la comète Grigg-Skjellerup. La sonde américaine Stardust, lancée en 1999, a croisé la comète Wild 2 le 2 janvier 2004. Elle aussi protégée par des boucliers de ce type, elle a capturé dans un gel ultraléger, l'aérogel, des grains de la comète, rapportés sur Terre le 15 janvier 2006 : plus de 10 000 particules de plus d'un micromètre.
À 0,2 c, la poussière devient l'ennemi n° 1
Pour une sonde lancée à 20 % de la vitesse de la lumière vers Alpha du Centaure, l'énergie cinétique se calcule avec la relativité : E_c = (\gamma - 1) m c^2, où le facteur de Lorentz \gamma vaut environ 1,02. Un grain de poussière d'un microgramme, invisible à l'œil nu, porterait alors environ 1,9 mégajoule, l'énergie d'une voiture d'une tonne lancée à 220 km/h. Même les atomes d'hydrogène du gaz interstellaire frapperaient l'avant de la sonde avec une énergie d'environ 19 MeV chacun, comme dans un accélérateur de particules. Selon les études consacrées au projet Breakthrough Starshot, chaque centimètre carré de la face avant recevrait environ un millier de chocs de grains pendant le trajet.
Le bouclier Whipple ne suffit plus : à ces énergies, il n'y a plus de « nuage qui s'étale ». Les concepteurs envisagent plutôt de présenter à la poussière la plus petite surface possible, en faisant voyager la sonde par la tranche, et de placer à l'avant un écran de quelques millimètres, conçu pour s'éroder lentement. Le projet Daedalus prévoyait déjà, dans les années 1970, un disque de béryllium épais de quelques millimètres à l'avant de son vaisseau (voir les marches A-SPC-16 et C-MAT-07).
Et sur Terre ?
Les mêmes matériaux et les mêmes bancs d'essai d'impact servent à protéger les satellites en orbite basse contre les micrométéorites et les petits débris. Des boucliers plus légers et plus efficaces, c'est moins de pannes, et moins de satellites détruits qui deviendraient à leur tour des débris.
Reste une grande inconnue : on connaît mal la quantité et la taille des grains qui peuplent le chemin entre le Soleil et Alpha du Centaure. Établir cette carte, avec ses incertitudes, est une condition pour dimensionner le bouclier d'une sonde interstellaire (voir la marche H-LNK-09).