NASA – Administration nationale de l’aéronautique et de l’espace

Les vaisseaux spatiaux de demain seront construits à l’aide de matériaux avancés aux propriétés époustouflantes.

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Sept. 16, 2002 : « Ce que je cherche vraiment », dites-vous au vendeur, « c’est une voiture qui parcourt au moins 10 000 miles entre deux pleins, qui se répare automatiquement, qui roule à 500 mph et qui ne pèse que quelques centaines de livres. »

Alors qu’il reste là, les yeux écarquillés, vous ajoutez, « Oh oui, et je ne peux dépenser qu’un quart de ce que coûtent ces autres voitures. »

Une demande comme celle-ci vous fera certainement rire sur le terrain des voitures neuves. Mais à bien des égards, cette voiture de rêve est une métaphore des véhicules spatiaux dont nous aurons besoin pour étendre notre exploration du système solaire dans les décennies à venir. Ces nouveaux engins spatiaux devront être à la fois plus rapides, plus légers, moins chers, plus fiables, plus durables et plus polyvalents.

Impossible ? Avant de répondre, considérez comment un éleveur d’il y a 200 ans aurait pu réagir si un homme avait demandé à acheter un cheval capable de courir à 100 mph pendant des heures, de transporter toute sa famille et tous ses bagages, et de lui chanter ses chansons préférées pendant tout ce temps ! Aujourd’hui, nous les appelons des minivans.

Les révolutions technologiques — comme la révolution industrielle qui a remplacé les chevaux par les voitures — peuvent rendre banal demain ce qui semble impossible aujourd’hui.

Une telle révolution se produit en ce moment même. Trois des sciences les plus prometteuses de notre époque – la biotechnologie, la nanotechnologie et les technologies de l’information – convergent pour donner aux scientifiques un contrôle sans précédent de la matière à l’échelle moléculaire. Imaginez, par exemple, une substance 100 fois plus résistante que l’acier, mais dont le poids ne représente qu’un sixième de celui de l’acier ; des matériaux qui se guérissent instantanément lorsqu’ils sont perforés ; des surfaces qui peuvent « sentir » les forces qui s’exercent sur elles ; des fils et des composants électroniques aussi minuscules que des molécules ; des matériaux structurels qui génèrent et stockent également de l’électricité ; et des liquides qui peuvent instantanément passer à l’état solide et inversement, à volonté. Tous ces matériaux existent aujourd’hui… et d’autres sont en route.

Avec de tels matériaux époustouflants à portée de main, la construction du meilleur vaisseau spatial commence à ne pas sembler si farfelue après tout.

Le poids égale l’argent

Le défi du vaisseau spatial de prochaine génération s’articule autour de quelques questions primaires. Tout d’abord, bien sûr, le coût.
« Même si tous les obstacles techniques étaient résolus aujourd’hui, l’exploration de notre système solaire doit encore être abordable pour être pratique », déclare le Dr Neville Marzwell, responsable de la technologie aérospatiale révolutionnaire pour la Next Decadal Planning Team de la NASA.
La réduction du coût des vols spatiaux signifie principalement la réduction du poids. Chaque kilo réduit est un kilo qui n’aura pas besoin de propulsion pour s’échapper de la gravité terrestre. Les vaisseaux spatiaux plus légers peuvent avoir des moteurs plus petits et plus efficaces et moins de carburant. Ceci, à son tour, permet d’économiser plus de poids, créant ainsi une spirale bénéfique d’économie de poids et de réduction des coûts.

Droit : Cette fusée lunaire Saturn V entièrement chargée pesait 6,2 millions de livres. Elle était lourde et coûteuse à lancer.

Le défi consiste à réduire le poids tout en augmentant la sécurité, la fiabilité et la fonctionnalité. Se contenter d’éliminer des pièces ne suffira pas.

Les scientifiques explorent une série de nouvelles technologies qui pourraient aider les engins spatiaux à s’affiner. Par exemple, les matériaux gossamer — qui sont des films ultra-minces — pourraient être utilisés pour les antennes ou les panneaux photovoltaïques à la place des composants plus volumineux utilisés aujourd’hui, ou même pour de vastes voiles solaires qui assurent la propulsion tout en ne pesant que 4 à 6 grammes par mètre carré.

Les matériaux composites, comme ceux utilisés dans les raquettes de tennis et les clubs de golf en fibre de carbone, ont déjà beaucoup fait pour aider à réduire le poids dans les conceptions aérospatiales sans compromettre la résistance. Mais une nouvelle forme de carbone appelée « nanotube de carbone » promet une amélioration spectaculaire des composites : Les meilleurs composites ont une résistance 3 ou 4 fois supérieure à celle de l’acier en poids – pour les nanotubes, c’est 600 fois!

« Cette résistance phénoménale provient de la structure moléculaire des nanotubes », explique Dennis Bushnell, scientifique en chef au Langley Research Center (LaRC), le centre d’excellence de la NASA pour les structures et les matériaux. Ils ressemblent un peu à du fil de fer à poules enroulé en cylindre, avec des atomes de carbone assis à chacun des coins des hexagones.

Typiquement, les nanotubes font environ 1,2 à 1,4 nanomètres de diamètre (un nanomètre est un milliardième de mètre), ce qui ne représente qu’environ 10 fois le rayon des atomes de carbone eux-mêmes.
Au-dessus : Le réseau d’atomes de carbone dans un nanotube de carbone est comme un tableau d’accrochage pour d’autres types d’atomes et de molécules qui confèrent au nanotube des propriétés chimiques, électriques ou thermiques particulières. Copyright Prof. Vincent H. Crespi, Département de physique Pennsylvania State University.

Les nanotubes n’ont été découverts qu’en 1991, mais déjà l’intérêt intense de la communauté scientifique a fait progresser énormément notre capacité à créer et à utiliser les nanotubes. Il y a seulement 2 à 3 ans, les plus longs nanotubes qui avaient été fabriqués mesuraient environ 1000 nanomètres de long (1 micron). Aujourd’hui, les scientifiques sont en mesure de faire pousser des tubes d’une longueur de 200 millions de nanomètres (20 cm). Bushnell note qu’il y a au moins 56 laboratoires dans le monde qui travaillent à la production de masse de ces minuscules tubes.

« De grands progrès sont réalisés, donc la fabrication de matériaux en vrac à l’aide de nanotubes arrivera probablement », dit Bushnell. « Ce que nous ne savons pas, c’est quelle quantité de ces 600 fois la résistance de l’acier en poids se manifestera dans un matériau en vrac. Pourtant, les nanotubes sont notre meilleur pari. »

Droit : La résistance à la traction des nanotubes de carbone dépasse largement celle des autres matériaux à haute résistance. Notez que chaque incrément sur l’axe vertical est une puissance de 10.

Au delà de la simple résistance, les nanotubes seront probablement importants pour une autre partie du plan de perte de poids des vaisseaux spatiaux : des matériaux qui peuvent servir à plus d’une fonction.

« Nous avions l’habitude de construire des structures qui n’étaient que des supports muets, des poids morts pour les parties actives, comme les capteurs, les processeurs et les instruments », explique Marzwell. « Maintenant, nous n’avons plus besoin de cela. Le support peut être une partie intégrante et active du système. »

Imaginez que le corps d’un vaisseau spatial puisse également stocker de l’énergie, éliminant ainsi le besoin de lourdes batteries. Ou que les surfaces pourraient se plier elles-mêmes, supprimant les actionneurs séparés. Ou que les circuits pourraient être intégrés directement dans le corps du vaisseau spatial. Lorsque les matériaux peuvent être conçus à l’échelle moléculaire, de telles structures holistiques deviennent possibles.

Chaussures de vaisseaux spatiaux

Les humains peuvent sentir la moindre piqûre d’épingle n’importe où sur leur corps. C’est une partie étonnante de l’auto-surveillance — possible parce que votre peau contient des millions de terminaisons nerveuses microscopiques ainsi que des nerfs pour transporter ces signaux à votre cerveau.

De même, les matériaux qui constituent les systèmes critiques dans un vaisseau spatial pourraient être intégrés avec des capteurs à l’échelle nanométrique qui surveillent constamment l’état des matériaux. Si une pièce commence à tomber en panne — c’est-à-dire qu’elle « sent mauvais » — ces capteurs pourraient alerter l’ordinateur central avant que la tragédie ne survienne.

Des fils moléculaires pourraient transporter les signaux de tous ces capteurs imbriqués jusqu’à l’ordinateur central, évitant ainsi l’encombrement peu pratique des millions et des millions de fils actuels. Là encore, les nanotubes pourraient jouer ce rôle. Comme par hasard, les nanotubes peuvent agir comme des conducteurs ou des semi-conducteurs, selon la façon dont ils sont fabriqués. Les scientifiques ont fabriqué des fils moléculaires à partir d’autres molécules allongées, dont certaines s’auto-assemblent même naturellement en configurations utiles.

Gauche : Ce matériau piézoélectrique, développé au Langley Research Center (LaRC) de la NASA, peut « sentir » des déformations telles que la flexion ou la pression de surface, produisant en réponse une petite tension qui peut servir de signal pour un ordinateur central. Image reproduite avec l’aimable autorisation du projet Morphing de la NASA au LaRC.

Votre peau est également capable de se guérir elle-même. Croyez-le ou non, certains matériaux avancés peuvent faire la même chose. Des matériaux auto-cicatrisants composés de molécules à longue chaîne appelées ionomères réagissent à un objet pénétrant tel qu’une balle en se refermant derrière lui. Les vaisseaux spatiaux pourraient utiliser de telles peaux car l’espace est rempli de minuscules projectiles – des débris de comètes et d’astéroïdes qui se déplacent rapidement. Si l’un de ces objets de la taille d’un grain de sable ou d’un caillou venait à perforer le blindage du vaisseau, une couche de matériau auto-cicatrisant maintiendrait la cabine étanche à l’air.

Les météoroïdes ne sont pas le seul danger ; l’espace est également rempli de radiations. Les vaisseaux spatiaux en orbite terrestre basse sont sensiblement protégés par le champ magnétique de notre planète, qui forme une bulle de sécurité d’environ 50 000 km de large centrée sur la Terre. Au-delà de cette distance, cependant, les éruptions solaires et les rayons cosmiques constituent une menace pour les voyageurs de l’espace.

Droit : Une éruption solaire projette des radiations énergétiques dans l’espace.

Les scientifiques cherchent encore une bonne solution. L’astuce consiste à fournir un blindage adéquat sans ajouter beaucoup de poids supplémentaire au vaisseau spatial. Certains matériaux légers de protection contre les rayonnements sont actuellement testés dans le cadre d’une expérience appelée (MISSE) à bord de la station spatiale internationale. Mais ils ne suffiront pas à eux seuls.

Le vrai méchant est le rayonnement cosmique galactique (RCG) produit dans les explosions de supernova lointaines. Il est constitué, en partie, d’ions positifs très lourds, comme des noyaux de fer, qui se déplacent à grande vitesse. La combinaison d’une masse élevée et d’une grande vitesse rend ces petits « boulets de canon » atomiques très destructeurs. Lorsqu’ils traversent les cellules du corps humain, ils peuvent briser l’ADN, entraînant des maladies et même des cancers.

« Il s’avère que les pires matériaux que l’on puisse utiliser pour se protéger du GCR sont les métaux », note Bushnell. Lorsqu’un rayon comique galactique frappe un atome métallique, il peut briser le noyau de l’atome – un processus semblable à la fission qui se produit dans les centrales nucléaires. Le rayonnement secondaire produit par ces collisions peut être pire que le GCR que le métal était censé protéger.

Ironiquement, les éléments légers comme l’hydrogène et l’hélium sont la meilleure défense contre ces brutes de GCR, car les collisions avec eux produisent peu de rayonnement secondaire. Certaines personnes ont suggéré d’entourer les quartiers d’habitation du vaisseau d’un réservoir d’hydrogène liquide. Selon Bushnell, une couche d’hydrogène liquide de 50 à 100 cm d’épaisseur constituerait un blindage adéquat. Mais le réservoir et le système cryogénique seront probablement lourds et encombrants.

Là encore, les nanotubes pourraient être utiles. Un réseau de nanotubes de carbone peut stocker l’hydrogène à des densités élevées, et sans avoir besoin d’un froid extrême. Ainsi, si notre vaisseau spatial du futur utilise déjà des nanotubes comme matériau structurel ultraléger, ces tubes pourraient-ils également être chargés d’hydrogène pour servir de bouclier contre les radiations ? Les scientifiques étudient cette possibilité.

Gauche : Lorsque les rayons cosmiques à haute énergie s’écrasent sur l’ADN des astronautes, cela peut causer des dommages conduisant à des cancers ou à d’autres maladies radio-induites. Images reproduites avec l’aimable autorisation de l’Office of Biological and Physical Research de la NASA.

Pour aller plus loin, les couches de ce matériau structurel pourraient être parsemées d’atomes d’autres éléments qui sont bons pour filtrer d’autres formes de rayonnement : le bore et le lithium pour gérer les neutrons, et l’aluminium pour éponger les électrons, par exemple.

Camping Out in the Cosmos

La surface de la Terre est en grande partie à l’abri du rayonnement cosmique, mais d’autres planètes n’ont pas cette chance. Mars, par exemple, ne dispose pas d’un champ magnétique global puissant pour dévier les particules de rayonnement, et sa couverture atmosphérique est 140 fois plus fine que celle de la Terre. Ces deux différences font que la dose de rayonnement à la surface de Mars est environ trois fois moins intense que dans un espace ouvert non protégé. Les futurs explorateurs de Mars auront besoin d’une protection contre les radiations.

« Nous ne pouvons pas emporter la plupart des matériaux pour un abri à long terme à cause de la considération du poids. Donc, une chose sur laquelle nous travaillons est de savoir comment fabriquer des matériaux de protection contre les radiations à partir des éléments que nous trouvons là-bas », explique Sheila Thibeault, une scientifique du CRL qui se spécialise dans le blindage contre les radiations.

Droit : Les astronautes qui établissent un camp sur Mars devront se protéger des radiations spatiales. Image crédit:Frassanito and Associates, Inc.

Une solution possible est les « briques martiennes ». Thibeault explique : « Les astronautes pourraient produire des briques résistantes aux radiations à partir de matériaux disponibles localement sur Mars, et les utiliser pour construire des abris. » Ils pourraient, par exemple, combiner le « régolithe » semblable à du sable qui recouvre la surface martienne avec un polymère fabriqué sur place à partir de dioxyde de carbone et d’eau, tous deux abondants sur la planète rouge. En zappant ce mélange avec des micro-ondes, on obtient des briques d’aspect plastique qui constituent une bonne protection contre les radiations.

« En utilisant les micro-ondes, nous pouvons fabriquer ces briques rapidement en utilisant très peu d’énergie ou d’équipement », explique-t-elle. « Et le polymère que nous utiliserions s’ajoute aux propriétés de protection contre les radiations du régolithe. »

Les abris de Mars auraient besoin de la fiabilité des matériaux auto-détecteurs, de la durabilité des matériaux auto-cicatrisants et des économies de poids des matériaux multifonctionnels. En d’autres termes, une maison sur Mars et un bon vaisseau spatial ont besoin de beaucoup de choses en commun. Tous ces éléments sont pris en compte par les chercheurs, selon M. Thibeault.

Les gens de chez nous
Des matériaux avancés époustouflants seront également utiles sur Terre.
« La recherche de la NASA est certainement axée sur les véhicules aérospatiaux », note Anna McGowan, responsable du Morphing Project de la NASA (un effort de recherche sur les matériaux avancés au Langley Research Center). « Toutefois, la science fondamentale pourrait être utilisée dans de nombreux autres domaines. Il pourrait y avoir des millions de retombées. »

Gauche : Fabriqués à partir de matériaux intelligents, les avions de demain pourraient avoir des ailes auto-fléchissantes qui fonctionnent sans volets — réduisant ainsi la traînée et diminuant les coûts de carburant.

Mais pas encore. La plupart des matériaux avancés n’ont pas le raffinement technique nécessaire pour obtenir un produit poli et robuste. Ils ne sont pas prêts pour le prime time. Pourtant, selon les chercheurs, ce n’est qu’une question de temps : Un jour ou l’autre, ce vendeur de voitures cessera de rire… et commencera à vendre votre machine de rêve de l’ère spatiale.

Liens Internet

Buck Rogers, attention ! — Article de Science@NASA : Les chercheurs de la NASA étudient les insectes et les oiseaux, et utilisent des matériaux « intelligents » aux propriétés étranges pour développer de nouvelles conceptions d’avions époustouflantes.

Les échantillons du futur — Article de Science@NASA : Les vaisseaux spatiaux avancés de demain seront fabriqués à partir de matériaux farfelus offrant une résistance extraordinaire à l’environnement difficile de l’espace. L’expérience MISSE (Materials International Space Station Experiment) vise à découvrir quels matériaux fonctionnent le mieux.

À droite : En arrière-plan du Soleil levant, MISSE fait saillie dans l’espace à l’extérieur de la station spatiale internationale.

S’enfoncer et se mettre à l’abri — Article de Science@NASA : La terre lunaire et martienne pourrait fournir une protection contre les radiations aux équipages des futures missions. Voir aussi « Fabrication de briques martiennes ».

Center for Nanotechnology (CNT) — au centre de recherche Ames de la NASA.

Les besoins des futures missions — liste des technologies nécessaires à la future exploration spatiale et quelques solutions possibles, du CNT.

Liens sur les nanotubes : Nanotubes & Buckyballs (Nanotechnology Now) ; nanotubes de carbone (Penn State University) ; projet de nanotube du Johnson Space Center (NASA).

Recherche en électronique moléculaire : un transistor à l’échelle nanométrique d’IBM ; une porte logique simple fabriquée à partir de nanofils ; un nanotube personnalisable pour les fils ou les structures de l’université Purdue.

Météo spatiale sur Mars — article de Science@NASA : Les futurs explorateurs humains de Mars peuvent laisser leurs parapluies sur Terre, mais ils ne devraient peut-être pas oublier leurs compteurs Geiger ! Une expérience de la NASA en route vers la planète rouge vise à le découvrir.