vignette|Vue d'artiste montrant un vaisseau utilisant la propulsion nucléaire thermique pour réduire le temps de vol entre la Terre et Mars. vignette|Les scénarios de voyage interstellaire reposent souvent sur des systèmes de propulsion relevant encore de la théorie, comme ce collecteur Bussard. Le voyage interstellaire est un vol spatial entre deux systèmes planétaires. Contrairement au vol interplanétaire, qui s'effectue entre deux planètes d'un système planétaire depuis les années 1960, le voyage interstellaire reste un thème de science-fiction, l'ordre de grandeur des distances à parcourir étant dix mille fois plus important. Avec les technologies disponibles en 2023, qui reposent sur des systèmes de propulsion chimique, il faut environ pour qu'un engin puisse parvenir à proximité de l'étoile la plus proche.
Si on écarte la solution très théorique du vaisseau générationnel, qui permettrait de s'affranchir de la contrainte de la durée du transit, le voyage interstellaire nécessite la mise au point de systèmes de propulsion permettant d'approcher la vitesse maximale de notre Univers, soit , alors que les modes de propulsion actuels ne permettent d'atteindre qu'une vitesse de transit entre les étoiles de . Le recours à la fission nucléaire ou l'utilisation de voiles solaires, encore expérimentales, permettront peut-être d'atteindre des vitesses plus élevées, mais celles-ci resteront insuffisantes pour atteindre les étoiles dans un délai compatible avec la durée de la vie humaine. De nombreuses études ont été réalisées sur des modes de propulsion plus performants mais encore très théoriques comme la fusion nucléaire, la propulsion nucléaire pulsée ou le recours à un collecteur Bussard.
Pour peu qu'on ne soit pas pressé par le temps et que l'on dispose de moyens financiers suffisants à consacrer à l'élaboration d'un vaisseau adapté, une mission robotique vers les étoiles semble possible, même si elle représente un défi technique et économique considérable qui a peu de chances d'être relevé avant plusieurs siècles. Au , aucune agence spatiale n'a de projet d'exploration interstellaire. La NASA a effectué plusieurs études de missions robotiques ayant pour objectif l'analyse scientifique du milieu interstellaire situé à moins de du Soleil.
Difficultés
Distances interstellaires +Distances interstellaires : quelques repères Objet Distance de la Terre Temps de parcours (engin spatial) Temps mis par la lumière en unités astronomiquesLune 1,3 seconde 0,0026 U.A. 3 jours Apollo 11Soleil 8,32 minutes 1 U.A. Mars 3,16 minutes 0,8 U.A. environ 9 mois MSL, MAVEN Neptune 4,1 heures 29,8 U.A. 8,5 années New Horizons Limite de l'héliosphère 16,77 heures U.A. Voyager 1 Proxima CentauriÉtoile la plus proche 4,24 années U.A. Environ (à la vitesse de Voyager 1)
Le principal obstacle au voyage interstellaire est la distance entre les étoiles, plus particulièrement entre notre Soleil et les étoiles les plus proches. Lorsqu'il faut mesurer les distances considérables qui séparent les étoiles, on utilise l'année-lumière, unité définie comme la distance que parcourt la lumière en une année (), soit plus de de kilomètres. Dans le vide, la lumière voyage à environ . Exprimée dans cette unité, la distance entre la Terre et la Lune est d'environ . La distance moyenne entre la Terre et les autres planètes du système solaire va de -lumière à environ -lumière. L'étoile la plus proche du Soleil connue est Proxima Centauri, qui se trouve à -lumière. Cette étoile se trouve donc plus loin que Neptune, la planète la plus éloignée du système solaire.
Avec les techniques de propulsion actuelle, il faut presque une décennie pour quitter le système solaire et près de pour atteindre l'étoile la plus proche. Ainsi la sonde spatiale New Horizons, lancée à très grande vitesse vers Pluton, dernière planète du système solaire (rétrogradée au statut de planète naine en 2006), a croisé l'orbite de Neptune au bout de huit ans. Il lui faudrait donc plus de pour franchir la distance la séparant de Proxima Centauri, à condition que son vecteur vitesse soit pointé dans la bonne direction. Pour mesurer la distance parcourue par les sondes spatiales on utilise l'unité astronomique (au) qui est égale à la distance moyenne entre la Terre et le Soleil (environ de kilomètres) et qui est parcourue en un peu plus de huit minutes par la lumière. La sonde spatiale , lancée en 1977 et qui est l'engin ayant parcouru jusque-là, la plus grande distance, a franchi depuis son départ (en 2013) alors qu'il faut en parcourir pour atteindre Proxima Centauri. Sa vitesse dans l'espace interstellaire est de soit par an.
Des systèmes de propulsion existants inadaptés Principes de la propulsion spatiale
Hormis la voile solaire qui exploite la poussée des photons, toutes les techniques de propulsion spatiale existantes ou dont les principes sont validés reposent sur le principe de la conservation de la quantité de mouvement : pour accélérer, le vaisseau spatial expulse une masse (généralement de gaz) dM à une vitesse d'éjection V. Si la masse du vaisseau est M l'accroissement instantané de la vitesse qui en résulte dv peut se calculer à partir de l'équation différentielle :
(Équation de la conservation de la quantité de mouvement)
L'intégration de cette équation permet de calculer la variation de vitesse entre le début et la fin de la phase propulsée, notée Delta-V () par un vaisseau de masse initiale m ramenée à une masse m après avoir épuisé son carburant :
(Équation de Tsiolkovski) avec : v est la vitesse d'éjection des gaz ; est la fonction logarithme népérien.
L'augmentation de vitesse obtenue conditionne la durée du vol spatial. Si sa valeur est de (Voyager 1) l'étoile la plus proche ne pourra être atteinte qu'au bout d'environ . L'équation montre que la vitesse gagnée par le vaisseau est proportionnelle à la vitesse d'éjection des gaz (vitesse par rapport au vaisseau) et au logarithme népérien du ratio masse totale/masse à vide du vaisseau. Deux constats : Le logarithme népérien est une fonction dont la valeur croît de plus en plus lentement au fur et à mesure de l'augmentation de son argument (cf tableau ci-dessous). Ce coefficient peut être amélioré en multipliant les étages largués au fur et à mesure de l'épuisement des ergols, ce qui permet de multiplier dans le meilleur des cas la valeur obtenue ci-dessous par le nombre d'étages.
+Incidence du rapport masse totale/masse à vide Masse initiale du vaisseau Masse finale Rapport de masse Logarithme népérien Commentaire 10 2,3 Vaisseau de emportant d'ergols 100 4,6 1000 6,9 Le deuxième facteur est la vitesse d'éjection des gaz qui dépend elle-même de la technique de propulsion spatiale utilisée. La vitesse d'éjection se mesure en km/s. Elle est également représentée, sous l'appellation d'impulsion spécifique, par la durée pendant laquelle un kilogramme d'ergol produit une poussée équivalente à une masse d'un kilogramme (soit une force d'environ 9,81 N) dans le champ gravitationnel terrestre. Une autre caractéristique importante du type de propulsion est à prendre en considération : la poussée maximale fournie. Elle est par exemple très faible pour les systèmes de propulsion électriques ce qui interdit toute manœuvre orbitale devant être réalisée dans un laps de temps court.
+Performance des différents types de propulsion spatiale Type de propulsion spatiale Vitesse d'éjection des gaz (max) Impulsion spécifique Delta-v (1) Poussée maximale Statut de cette technique Remarque Combustion chimique Propulsion à ergols liquides 500 s. Opérationnelle Principal système de propulsion utilisé Moteur ionique 50 à à s. 500 millinewtons Opérationnelle NEXT utilisée par Dawn VASIMR s. Concept non validé Nécessite une source d'énergie externe d'origine nucléaire Propulsion nucléaire thermique 1000 s. Testée au sol Projet NERVA, RD-0410 Fusion nucléaire projet Dédale Concept non validé performances du (1)Hypothèse : vaisseau mono étage avec carburant représentant 90 % de la masse totale (coefficient ⇒ 2,3 cf tableau précédent)
Limites des systèmes de propulsion utilisés ou en cours de développement Les techniques de propulsion spatiale utilisées en 2014 reposent sur la combustion chimique (dans cette catégorie la plus performante est la propulsion à ergols liquides utilisant un mélange d'hydrogène et d'oxygène liquides) et la propulsion électrique (moteur ionique) qui présente l'inconvénient de ne fournir qu'une poussée très faible. La vitesse d'éjection de ces types de propulsion plafonne à une centaine de km/s alors qu'un vol interstellaire nécessite une vitesse de l'ordre de la centaine de milliers de km/s s'il doit être accompli le temps d'une vie humaine (voir tableau ci-dessous). Pour améliorer ces performances on peut augmenter le ratio masse totale/masse à vide : en pratique il est sans doute difficile de descendre en dessous d'une valeur de 20 (95 % de la masse est alors constituée d'ergols) et le gain obtenu est modeste (30 % par rapport à un ratio de 10) alors qu'il faut gagner trois ordres de grandeur (x 1000). On peut également multiplier les étages largués au fur et à mesure de l'épuisement des ergols ce qui permet d'obtenir dans le meilleur des cas une vitesse finale qui est égale à la vitesse d'un vaisseau mono-étage multiplié par le nombre d'étages (si le ratio masse finale/masse initiale est identique à chaque changement d'étage). En pratique il est difficile d'envisager d'avoir plus de cinq étages donc de multiplier par plus de cinq la vitesse finale.
Pour illustrer les limites des systèmes de propulsion existants, on peut citer le cas de la petite sonde spatiale New Horizons (). Il a fallu utiliser un lanceur lourd Atlas V-551 de (donc ratio masse totale/charge utile de 1000) à trois étages et demi (en comptant les propulseurs d'appoint) utilisant principalement des moteurs à ergols liquides performants afin d'obtenir une vitesse qui lui a permis d'arriver au niveau de Pluton en dix ansNew Horizons a bénéficié de l'assistance gravitationnelle de Jupiter qui lui a permis de gagner .. Bien qu'ayant bénéficié de conditions de lancement qui peuvent être difficilement améliorées avec les lanceurs existants, New Horizons abordera l'espace interstellaire avec une vitesse de seulement . Si on conserve cette masse réduite mais qu'on tente d'augmenter la vitesse à laquelle le vaisseau s'échappe de notre système solaire les gains sont modestes puisqu'il faudrait pratiquement doubler la masse du lanceur pour gagner 1 à . Il faut également prendre en considération la vitesse d'arrivée dans le système stellaire visé d'un vaisseau lancé à une telle vitesse. Dépourvu de moyen de propulsion, il traversera à une vitesse supérieure à celle d'une comète les régions centrales de celui-ci avant de le quitter définitivement. Si l'objectif est de s'arrêter dans le système solaire étranger, il faut emporter une quantité d'ergols qui augmente tellement la masse de l'engin que celui-ci ne peut même plus quitter notre système solaire.
Les systèmes de propulsion chimiques utilisés actuellement, même en envisageant une fusée géante, ne permettent donc pas de lancer un engin spatial vers l'étoile la plus proche en espérant l'atteindre dans des délais considérés comme acceptables pour la société humaine. Les projets spatiaux les plus complexes comme la sonde spatiale Cassini-Huygens ont produit leurs premiers résultats scientifiques environ après le début des premières études, .