Freiner à l'arrivée : comment s'arrêter à Alpha du Centaure ?
Lancer une sonde à 20 % de la vitesse de la lumière est déjà un défi. L'arrêter à destination, sans carburant, en est un autre. Tour d'horizon des idées publiées : voile magnétique, voile électrique et freinage par la lumière des étoiles.
Le scénario de référence du projet Breakthrough Starshot est un survol : des voiles de quelques grammes, poussées par laser depuis la Terre jusqu'à 20 % de la vitesse de la lumière, atteindraient Alpha du Centaure en une vingtaine d'années. Mais à 60 000 km/s, une sonde parcourt la distance Terre–Soleil en une quarantaine de minutes. Elle n'aurait que quelques heures pour observer des planètes qu'il aura fallu des décennies pour atteindre. D'où une question aussi ancienne que les projets interstellaires : comment s'arrêter, sans emporter de carburant ?
Survol ou arrêt : le prix de la vitesse
Freiner, c'est se débarrasser de l'énergie cinétique accumulée. À la vitesse v, une masse m en porte E_c = (\gamma - 1)\,mc^2, où le facteur \gamma = 1/\sqrt{1 - v^2/c^2} vaut environ 1,02 à 0,2 c. Pour un seul gramme, cela fait près de 2 \times 10^{12} joules, l'énergie libérée par quelques centaines de tonnes de TNT.
Une fusée de freinage est hors de question. D'après l'équation de Tsiolkovski, perdre une vitesse \Delta v exige un rapport de masses e^{\Delta v / v_e}, où v_e est la vitesse d'éjection. Or ce carburant de freinage, il faut aussi l'accélérer au départ : le rapport de masses total est alors élevé au carré. La seule issue consiste à prendre appui sur ce que l'on trouve à l'arrivée, soit le gaz très ténu qui remplit l'espace entre les étoiles, soit la lumière des étoiles elles-mêmes.
S'appuyer sur le gaz interstellaire
À la fin des années 1980, Dana Andrews et Robert Zubrin ont étudié la voile magnétique : une grande boucle de câble supraconducteur, parcourue par un courant, qui crée autour de la sonde un champ magnétique très étendu. Les particules chargées du milieu interstellaire, qui arrivent à grande vitesse, sont déviées par ce champ, et la sonde subit une force de traînée. Les deux ingénieurs soulignaient que l'intérêt principal du dispositif n'est pas d'accélérer, mais de ralentir : aux très grandes vitesses, la traînée devient importante. Ils proposaient d'ailleurs un scénario hybride, avec un faisceau laser pour le départ et une voile magnétique pour l'arrivée.
La voile électrique, imaginée au milieu des années 2000 par Pekka Janhunen, de l'Institut météorologique finlandais, remplace l'aimant par de longs fils métalliques maintenus à un potentiel électrique positif. Conçue pour se faire pousser par le vent solaire, elle peut en principe servir de frein en repoussant les protons du gaz interstellaire.
En 2016, Nikolaos Perakis et Andreas Hein ont comparé les deux approches pour un vaisseau de plusieurs tonnes arrivant à 5 % de la vitesse de la lumière. Selon leurs calculs, la voile magnétique seule demanderait une quarantaine d'années pour freiner, la voile électrique seule environ 35 ans, et la combinaison des deux environ 29 ans. Ce freinage est lent par nature : la force diminue à mesure que la sonde ralentit.
Freiner avec la lumière des étoiles
Une autre idée retourne la voile de lumière contre elle-même. En 2017, René Heller et Michael Hippke ont montré qu'une voile très légère pourrait freiner en se présentant face au rayonnement d'Alpha du Centaure A, tout en profitant de l'attraction de l'étoile pour infléchir sa trajectoire : c'est l'assistance photogravitationnelle. La sonde pourrait ensuite rejoindre l'étoile B, puis Proxima, et se placer en orbite.
Le prix à payer est la lenteur. Pour que la lumière d'arrivée suffise à arrêter la voile, la vitesse d'arrivée doit rester modeste : au plus environ 4,6 % de la vitesse de la lumière, selon les auteurs, pour une voile aux propriétés proches de celles du graphène, d'environ 10^5 m² (un carré de 316 m de côté), qui porterait 10 grammes d'instruments. Le voyage jusqu'à Alpha du Centaure A durerait alors environ 95 ans, et il faudrait encore 46 ans pour gagner Proxima.
Études et réalisations
Il faut distinguer ce qui a volé de ce qui reste sur le papier. Des voiles poussées par la lumière du Soleil ont bel et bien été déployées dans l'espace : IKAROS, de l'agence spatiale japonaise, en 2010, LightSail 2 en 2019, ou le démonstrateur ACS3 de la NASA en 2024. En revanche, aucune voile magnétique ni électrique n'a encore freiné quoi que ce soit, et aucune voile de type graphène de dix hectares n'a été fabriquée. Tous les scénarios de freinage interstellaire décrits ici sont des études publiées, qui reposent sur des hypothèses encore incertaines : matériaux, densité du gaz, champ magnétique local.
Et sur Terre ?
Les mêmes principes trouvent des usages beaucoup plus proches. Un fil chargé ou une boucle qui freine sur un plasma pourrait faire redescendre un satellite en fin de vie sans brûler de carburant, en s'appuyant sur l'ionosphère, ce qui aiderait à limiter les débris en orbite. Les grands champs magnétiques embarqués intéressent aussi la protection des engins contre les particules énergétiques. C'est le double objectif de la marche « Ancre magnétique » (voir la marche A-SPC-17), qui dépend elle-même d'une bonne connaissance du milieu à traverser (voir la marche H-LNK-09).
Reste à savoir quelle densité de gaz, quel champ magnétique et quelle poussière attendent une sonde entre le Soleil et Alpha du Centaure : de ces chiffres dépend la durée du freinage, à quelques décennies près. Les premières réponses viennent des sondes Voyager, déjà sorties de la bulle magnétique du Soleil, et des démonstrateurs de voiles qui, en orbite terrestre, apprennent à manœuvrer.