Propulsion laser - Définition
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La théorie
La propulsion laser par ablation
De nombreuses études sont menées en laboratoire pour comprendre les phénomènes mis en jeu dans ce type de propulsion ; en effet, les interactions laser-gaz sont déjà mal maîtrisées, il est donc facile d’imaginer la complexité lorsqu’un matériau intervient dans la chaîne de phénomènes.
La séquence est la suivante : la lumière est absorbée par les électrons libres grâce au bremsstrahlung inverse. Ces électrons accélèrent et ionisent par impact les atomes voisins. Il s’ensuit que le nombre d’électrons augmente de façon exponentielle à l’intérieur de la cible. L’équilibre de la matière ainsi rompu provoque l’éjection supersonique de particules hautement ionisés.
Seuil d’irradiation. La difficulté de l’ablation, c’est le seuil d’irradiation : en effet, pour un atome d’azote, il faut 120 photons pour extraire un électron, soit un seuil d’irradiation de 1 012 W/cm². Pour aller loin, il faut donc avoir un seuil d’irradiation le plus bas possible. C’est très difficile avec des combustibles liquides ou gazeux. Certes, les expériences montrent que la présence de surfaces solides réduit considérablement le seuil d’irradiation de l’air. Mais, dans ce cas, il faut avoir un matériau susceptible de résister à l’énorme quantité de chaleur produite par le plasma résultant (au minimum 10 000 K). L’idée est donc de venir directement ablater le matériau solide qui a un seuil d’irradiation beaucoup plus faible (1000 fois moins que pour les gaz) : la portée du véhicule peut être alors augmentée jusqu’à 100 fois.
Interactions laser-atmosphère. Une autre difficulté vient de l’interaction entre le rayon laser et les couches atmosphériques entre le sol et le véhicule. Le seuil « d’allumage plasma » de l’air est de 3×109 W/cm² ; or, les lasers susceptibles d’être utilisés auront une puissance de l’ordre du gigawatt. Si on veut donc éviter la formation de plasma dans l’atmosphère le long de la trajectoire (à la fois pour des problèmes d’environnement et d’efficacité de la propagation du rayon laser, vu que le plasma réfléchit la lumière), il faut que le combustible ablaté ait le seuil d’irradiation le plus bas possible.
