Les œuvres de science-fiction mettent souvent en scène des vaisseaux interstellaires ultrarapides, de vastes stations orbitales ou de gigantesques métropoles planétaires. La plupart de ces artefacts relèvent de l’imagination la plus débridée. En revanche, d’autres survivent à une analyse plus poussée, fondée sur les sciences et les techniques que nous maîtrisons: à défaut d’être réalisables dans un futur proche, ceux-là ont un fonctionnement pensable. Si l’on suppose que les univers de la science-fiction obéissent aux mêmes lois que le nôtre, pourquoi ces projets sont-ils, pour l’instant, hors de notre portée? Au-delà des difficultés techniques propres à la réalisation d’un instrument fonctionnel, que ce soit un grille-pain, une voiture, un sabre-laser ou un vaisseau interstellaire, la différence entre nous et ces ingénieurs de fiction est d’abord la capacité à utiliser une grande quantité d’énergie.
En physique, l’énergie mesure la capacité d’un système à effectuer des transformations. Pour soulever une brique au sommet d’un mur, faire bouillir un litre d’eau, rouler en voiture ou aller sur la Lune, il faut d’abord de l’énergie.
On doit fournir à la brique l’énergie nécessaire pour passer du niveau du sol au sommet du mur, à l’eau celle qui élèvera sa température en dépit des pertes thermiques, à la voiture de quoi persister dans son mouvement contre les frottements aérodynamiques qu’elle subit, à la fusée de quoi vaincre l’attraction gravitationnelle terrestre. Plus la transformation est importante, plus l’énergie mise en jeu doit être importante et, de ce point de vue, la science-fiction ne fait pas les choses à moitié.
Quelle quantité d’énergie faut-il pour propulser un vaisseau interstellaire?
Considérons par exemple la question du voyage interstellaire. Les étoiles sont si lointaines que pour les atteindre en un temps raisonnable, comparable à la durée de vie humaine, il faut que le vaisseau se déplace à une vitesse au moins 1.000 fois supérieure à celle atteinte par nos sondes interplanétaires. Imaginons un vaisseau de 1.000 tonnes de charge utile lancé vers l’étoile Alpha du Centaure à une vitesse moyenne égale au dixième de celle de la lumière. Elle mettra environ 50 ans pour atteindre son objectif et aucun être humain ne pourra y prendre place vu sa faible masse. À sa vitesse de croisière, sa seule énergie de mouvement (cinétique) est de l’ordre de celle que consomme toute l’humanité en un an. Et si l’on considère le Venture Star qui, dans le film Avatar, met moins de six ans à atteindre Alpha du Centaure, c’est plutôt 100.000 fois l’énergie consommée par toute l’humanité dont il faut disposer pour propulser ce vaisseau et lui faire atteindre sa vitesse de croisière. On peut donc gloser à l’envie sur les techniques de propulsion du futur, le voyage interstellaire ne sera possible que lorsque nous disposerons d’une grande quantité d’énergie.
Autre exemple: la science-fiction met souvent en scène des super-armes comme l’Étoile de la Mort (voir l’image ci-dessus), de la saga Star Wars. Un petit calcul d’ordre de grandeur permet d’estimer l’énergie nécessaire au fonctionnement de son «turbo-laser» capable de détruire une planète. Alderande est la première à en faire les frais. La cohésion d’une planète étant assurée par sa gravité propre, la détruire nécessite d’y injecter une quantité d’énergie supérieure à son énergie de cohésion gravitationnelle. En supposant qu’Alderande ressemble à la Terre, cette énergie est 500 milliards de fois supérieure à la production annuelle d’énergie de toute l’humanité!
Et cette valeur n’est qu’un minimum car, dans cette hypothèse, les débris de la planète se répandront dans l’espace à une vitesse égale à sa vitesse de libération, de l’ordre de 11 kilomètres par seconde pour la Terre. Il faudra donc attendre des heures pour qu’ils soient raisonnablement dispersés. Or, dans le film, la destruction d’Alderande prend à peine une seconde, suggérant que la vitesse d’expansion est bien supérieure à la vitesse de libération: grâce aux images on peut même l’évaluer à environ 10.000 kilomètres par seconde. L’énergie mise en jeu est donc un million de fois supérieure à celle de notre première estimation! N’en jetez plus, l’Étoile de la Mort est un artefact hors de notre portée car sa puissance rivalise avec celle des étoiles les plus brillantes de notre galaxie.
La quantité d’énergie consommée par l’humanité multipliée par 30 depuis 1800
Depuis la maîtrise du feu, il y a 500.000 ans, l’humanité a peu à peu domestiqué de nombreuses formes d’énergie pour réaliser des projets toujours plus nombreux et plus ambitieux. Toutes les sources d’énergie disponibles ont été utilisées à des degrés divers mais elles n’ont pas toutes le même intérêt ou la même facilité d’usage. Les combustibles fossiles (pétrole, gaz et charbon) ne sont disponibles qu’en quantité finie et donc épuisable mais ils sont faciles à extraire, à transporter et à stocker. L’énergie nucléaire est aussi épuisable, mais elle est un million de fois plus concentrée que l’énergie chimique des combustibles fossiles: la fission d’un gramme d’uranium-235 dégage autant d’énergie qu’une tonne de pétrole. Elle est aussi plus difficile à extraire, nécessite de construire des centrales complexes et de gérer des déchets à longue durée de vie. Enfin, les énergies éolienne, solaire et hydraulique sont renouvelables mais faiblement concentrées, les deux premières étant en plus intermittentes.
Remarquons qu’aucune source d’énergie n’a été remplacée par une autre, mais que toutes se sont ajoutées. Il n’y a jamais eu de transition énergétique, seulement une augmentation considérable de l’énergie dont dispose l’humanité, notamment occidentale: la quantité d’énergie consommée par l’humanité a été multipliée par 30 depuis 1800. Cette hausse faramineuse lui a permis de considérablement démultiplier les transformations de son environnement, dont le dérèglement climatique en cours est l’une des conséquences les plus évidentes. La part prélevée à l’écosystème terrestre a longtemps été négligeable par rapport aux ressources disponibles il faut bien reconnaître qu’après un gros siècle de croissance exponentielle, nos activités rivalisent désormais avec les forces de la Nature. Ainsi l’humanité consomme annuellement 10 fois l’énergie totale dégagée par un ouragan en une journée ou 50 fois l’énergie produite par le plus fort séisme jamais enregistré. C’est bien parce que nous disposons de grandes quantités d’énergie que nous avons transformé notre environnement sur de très grandes échelles, de l’artificialisation du paysage à la perturbation du climat.
Classer les civilisations en fonction de leur maîtrise de l’énergie
Partant du principe que l’accès à l’énergie est la voie privilégiée du développement technique et de la réalisation de grands projets, le physicien russe Nikolai Kardashev (1932-2019) a proposé en 1964 de classer les civilisations selon leur consommation d’énergie.
-Dans sa première catégorie, il place celles qui contrôlent à grande échelle toutes les formes d’énergie disponibles sur leur planète, de l’énergie éolienne à la fusion thermonucléaire. À ce niveau un voyage interstellaire devient énergétiquement possible car il ne représente plus qu’une faible fraction du budget énergétique global.
-Une civilisation atteint le deuxième niveau si elle dispose de toute l’énergie rayonnée par son étoile, gigantesque. Chaque seconde, la Terre reçoit du Soleil une énergie 12.000 fois supérieure à celle qui est consommée par l’humanité dans le même temps. Pris dans son ensemble, le Soleil rayonne en un millionième de seconde autant d’énergie que l’humanité en consomme en une année.
Une civilisation capable de capter l’essentiel de l’énergie d’une étoile dispose d’une quantité d’énergie des milliards de fois supérieure à celle d’une civilisation de la première catégorie. C’est à ce niveau que se situe la Fédération des planètes de la série Star Trek. Au bout de quelques milliards d’années, le stock d’énergie nucléaire d’une étoile ordinaire finit lui aussi par s’épuiser.
-Cela laisse amplement le temps d’entreprendre la colonisation d’une galaxie et d’accéder au troisième rang de la classification de Kardashev, celui de la maîtrise de l’énergie rayonnée par plusieurs étoiles. Sautant d’étoile en étoile, une telle civilisation finira par collecter l’énergie d’une fraction appréciable de la population stellaire de sa galaxie. Les Borg de la série Star Trek et l’Empire de la saga Star Wars sont deux exemples de telles super-civilisations.
L’humanité du XXIe siècle est en route vers le premier niveau de cette échelle et l’on peut douter de ses capacités à passer le cap de l’épuisement inéluctables de ses ressources fossiles et minérales. Une chose est sûre: la Terre est un système fini dont nous atteignons les limites. Ce sont elles qui contraindront les futurs possibles.
Roland Lehoucq Chercheur en astrophysique, Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons Lire l’article original sur The Conversation.
