La technologie se rapproche de plus en plus des histoires de science-fiction dans lesquelles des faisceaux de lumière soulèvent des personnes et des animaux vers des vaisseaux spatiaux : dans un environnement de laboratoire similaire à celui de Mars, il a été possible pour la première fois de déplacer des objets macroscopiques propulsés par des lasers.
Les rayons tracteurs sont « mystères » car ils peuvent saisir et soulever des objets. Le concept du rayon tracteur a été créé en 1931 par l’écrivain américain de science-fiction Edouard Elmer Smithmais il en est venu à tellement fasciner les scientifiques et les ingénieurs qu’au fil des ans, ils ont réalisé des réalisations importantes qui se rapprochent de plus en plus de la fantaisie futuriste.
En 2015, des chercheurs de l’Université publique de Navarre et de Grande-Bretagne construit le premier faisceau tracteur sonique au monde, capable de soulever et de déplacer des objets à l’aide d’ondes sonores de grande amplitude, capables de générer des champs acoustiques en forme de pincettes, de tornades ou de bouteilles.
Cette équipe a démontré qu’il existe au moins trois formes différentes de champs de force acoustique qui fonctionnent comme des faisceaux tracteurs. Mais ce ne sont pas les seules forces capables de déplacer des objets à distance.
tracteurs optiques
Des faisceaux tracteurs optiques ont également été développés qui utilisent l’effet mécanique de la lumière. Initialement proposées en 2011, elles sont basées sur le fait que la lumière contient de l’énergie et de la quantité de mouvement, et que ces caractéristiques peuvent être utilisées pour différents types de manipulations optiques, telles que lévitation et la rotation.
Les pincettes optiquesUn exemple clair de ces développements sont les instruments scientifiques couramment utilisés qui utilisent la lumière laser pour tenir et manipuler à distance de minuscules objets tels que des atomes ou des cellules.
Cependant, depuis une dizaine d’années, les scientifiques travaillent sur un nouveau type de manipulation optique : l’utilisation de la lumière laser pour créer un faisceau tracteur optique capable d’attirer objets plus grands. Et ces efforts ont maintenant donné un résultat satisfaisant.
objets macroscopiques
Une équipe de l’Université des sciences et technologies de QingDao en Chine a pour la première fois développé un moyen d’utiliser la lumière laser pour attirer un objet macroscopique par une légère pression.
Dans un article publié dans la revue Optics Express, les auteurs de cette recherche expliquent que jusqu’à présent il était établi que la lumière était trop petite pour attirer un objet macroscopique. Cependant, ils ajoutent que, grâce à une nouvelle approche, la force attractive de la lumière peut acquérir une bien plus grande amplitude et transcender le monde microscopique.
En fait, cela explique Lei Wangl’un des chercheurs d’un Libérationla force d’attraction de la lumière obtenue avec cette nouvelle approche est supérieure de plus de trois ordres de grandeur à la pression de la lumière utilisée pour entraîner une voile solaire, un mode de propulsion alternatif ou complémentaire pour les sondes et engins spatiaux à l’utilisation de moteurs qui utilise la quantité de mouvement des photons pour exercer une petite force de poussée dans l’espace.
graphène et silice
Wang et ses collègues montrent que le objets macroscopiques composés de graphène et de silice ils peuvent être utilisés pour la traction laser dans un environnement de gaz raréfié, un environnement qui a une pression similaire à celle trouvée sur Mars, qui est environ 100 fois moins dense que celle de la Terre.
Lorsqu’elles sont irradiées par un laser, la structure de ces objets crée une différence de température inverse, ce qui signifie que le côté opposé au laser devient plus chaud.
Après avoir été irradiées par un faisceau laser, les molécules de gaz présentes à l’arrière reçoivent plus d’énergie et poussent l’objet vers la source lumineuse.
force laser
La combinaison de ce processus avec la faible pression d’air d’un environnement de gaz raréfié a permis aux chercheurs d’obtenir une force de traction laser suffisamment puissante pour déplacer des objets macroscopiques.
Le déplacement observé dans cette expérience était d’environ 2,5 mm et la force de traction laser correspondante est estimée à 0,8 micronewtons. Le Newton est la force qui, appliquée pendant une seconde à une masse de 1 kg, augmente sa vitesse de 1 m/s. Un micronewton est égal à un millionième de newton.
pendule de torsion
L’expérience tournait autour d’un pendule de torsion, une forme de mouvement oscillant souvent utilisée, par exemple, dans les composants de suspension automobile.
Le pendule de torsion utilisé dans cette expérience a été fabriqué avec la structure du graphène et de la silice et a démontré que le phénomène d’attraction laser pouvait être observé à l’œil nu : les deux appareils avaient environ cinq centimètres longue.
Il faut cependant noter que l’objet macroscopique attiré par la lumière a été spécialement conçu pour l’expérience et qu’elle a été réalisée dans des conditions de laboratoire très particulières : à une pression très inférieure à la pression atmosphérique terrestre.
Les chercheurs pensent que si l’efficacité de ce faisceau tracteur est actuellement compromise sur Terre, il pourrait cependant s’avérer utile sur d’autres planètes.
Valable pour Mars
« Comme l’environnement de gaz raréfié que nous avons utilisé pour démontrer la technique est similaire à celui trouvé sur Mars, il peut avoir le potentiel de manipuler des véhicules ou des avions sur Mars », a déclaré Wang.
Notons à ce propos que la NASA envisage d’utiliser des faisceaux tracteurs pour collecter des échantillons martiens et que cette technologie pourrait également être utilisée pour collecter des particules de queues de comètes ou de nuages dans l’atmosphère terrestre ou sur d’autres planètes.
Ces développements potentiels n’ont rien à voir avec ce que la science-fiction nous apprend sur les faisceaux tracteurs lancés par des engins spatiaux pour « enlever » des animaux ou des personnes de notre planète, mais le concept développé dans cette recherche aura sûrement des implications importantes pour l’exploration spatiale.
preuve de concept
Les chercheurs préviennent toutefois que ce travail n’est qu’un preuve de concept et que de nombreux aspects de la technique devraient être améliorés avant qu’elle ne soit pratique, que ce soit sur Terre ou sur d’autres planètes.
Par exemple, un modèle théorique systématique est nécessaire pour prédire avec précision la force de traction laser pour certains paramètres, notamment la géométrie de l’objet, l’énergie laser et les milieux environnants.
Ils aimeraient également améliorer la stratégie d’extraction du laser afin qu’il puisse fonctionner avec une plus large gamme de pressions d’air.
« Notre travail démontre que la manipulation flexible de la lumière d’un objet macroscopique est réalisable lorsque les interactions entre la lumière, l’objet et le milieu sont soigneusement contrôlées », a déclaré Wang. « Il montre également la complexité des interactions laser-matière et que de nombreux phénomènes sont loin d’être être compris à la fois à une échelle macro et micro », conclut-il.
Référence
Tirage laser macroscopique basé sur la force de Knudsen dans le gaz raréfié. Lei Wang et al. Optics Express Volume 31, Numéro 2, p. 2665-2674 (2023). DOI : https://doi.org/10.1364/OE.480019