Le principal défi auquel sont confrontés les voyages interstellaires est l'immensité des distances à parcourir. Cela signifie qu'une très grande vitesse et/ou un très long temps de parcours sont nécessaires. Le temps de voyage avec les méthodes de propulsion les plus réalistes serait de plusieurs décennies à plusieurs millénaires.
Ainsi, un vaisseau interstellaire serait beaucoup plus exposé aux dangers des voyages interplanétaires, notamment le vide, les radiations, l'apesanteur et les micrométéorites. À grande vitesse, le véhicule serait pénétré par de nombreuses particules microscopiques de matière, à moins qu'il ne soit fortement blindé. Le port du bouclier augmenterait considérablement les problèmes de propulsion.
Rayons cosmiques
Les rayons cosmiques présentent un grand intérêt car il n'y a pas de protection en dehors de l'atmosphère et du champ magnétique. On a observé que les énergies des rayons cosmiques les plus énergétiques à ultra-haute énergie (UHECR) approchent les 3 × 1020 eV, soit environ 40 millions de fois l'énergie des particules accélérées par le Grand collisionneur de hadrons. A 50 J, les rayons cosmiques de très haute énergie ont des énergies comparables à l'énergie cinétique d'une balle de baseball à 90 km/h. Ces découvertes ont suscité un intérêt pour l'étude de rayons cosmiques d'une énergie encore plus élevée. Cependant, la plupart des rayons cosmiques n'ont pas de telles énergies extrêmes. La distribution de l'énergie des rayons cosmiques culmine à 0,3 gigaélectronvolt (4,8×10-11 J).
Énergie requise
Un facteur important est l'énergie nécessaire pour un temps de voyage raisonnable. Une limite inférieure pour l'énergie requise est l'énergie cinétique K = ½ mv2 où m est la masse finale. Si la décélération à l'arrivée est souhaitée et ne peut être obtenue par d'autres moyens que les moteurs du navire, alors l'énergie requise double au moins, car l'énergie nécessaire pour arrêter le navire est égale à l'énergie nécessaire pour l'accélérer à sa vitesse de déplacement.
La vitesse pour un aller-retour habité de quelques décennies jusqu'à l'étoile la plus proche est des milliers de fois supérieure à celle des véhicules spatiaux actuels. Cela signifie qu'en raison du terme v2 dans la formule de l'énergie cinétique, des millions de fois plus d'énergie est nécessaire. L'accélération d'une tonne à un dixième de la vitesse de la lumière nécessite au moins 450 PJ ou 4,5 ×1017 J ou 125 milliards de kWh, sans compter les pertes.
La source d'énergie doit être transportée, car les panneaux solaires ne fonctionnent pas loin du Soleil et des autres étoiles. L'ampleur de cette énergie peut rendre les voyages interstellaires impossibles. Un ingénieur a déclaré qu'"au moins 100 fois la production totale d'énergie du monde entier [pour une année donnée] serait nécessaire pour le voyage (vers Alpha Centauri)".
Le milieu interstellaire
Les poussières et les gaz interstellaires peuvent causer des dommages considérables à l'engin, en raison des vitesses relatives élevées et des grandes énergies cinétiques impliquées. Les objets de grande taille (tels que les gros grains de poussière) sont beaucoup moins courants, mais seraient beaucoup plus destructeurs. .
Durée du voyage
Les longs temps de trajet rendent difficile la conception de missions habitées. Les limites fondamentales de l'espace-temps constituent un autre défi. De plus, les voyages interstellaires seraient difficiles à justifier pour des raisons économiques.
On peut faire valoir qu'une mission interstellaire qui ne peut être achevée dans un délai de 50 ans ne devrait pas être lancée du tout. Au lieu de cela, les ressources devraient être investies dans la conception d'un meilleur système de propulsion. En effet, un vaisseau spatial lent serait probablement dépassé par une autre mission envoyée plus tard avec une propulsion plus avancée.
D'autre part, il est donc possible d'envisager le lancement d'une mission sans délai, car les problèmes de non-propulsion peuvent s'avérer plus difficiles que ceux liés à l'ingénierie de propulsion.
Les déplacements intergalactiques impliquent des distances environ un million de fois plus grandes que les distances interstellaires, ce qui les rend radicalement plus difficiles que même les déplacements interstellaires.
Le calcul de Kennedy
Andrew Kennedy a montré que les voyages entrepris avant le temps d'attente minimum seront dépassés par ceux qui partent au minimum, tandis que ceux qui partent après le minimum ne dépasseront jamais ceux qui sont partis au minimum.
Le calcul de Kennedy dépend de r, l'augmentation annuelle moyenne de la production mondiale d'électricité. De n'importe quel point dans le temps à une destination donnée, il y a un minimum à la durée totale du trajet jusqu'à la destination. Les voyageurs arriveraient probablement sans être dépassés par les voyageurs suivants en attendant un temps t avant de partir. La relation entre le temps nécessaire pour arriver à une destination (maintenant, Tnow, ou après l'attente, Tt, et la croissance de la vitesse de déplacement est
T n o w T t = ( 1 + r ) t 2 {\displaystyle {\frac {T_{now}}{T_{t}}}={(1+r)}^{\tfrac {t}{2}}}}
Prenant pour exemple un voyage à l'étoile de Barnard, à six années-lumière, Kennedy montre qu'avec un taux de croissance économique annuel moyen de 1,4 % dans le monde et une augmentation correspondante de la vitesse de déplacement, la civilisation humaine pourrait atteindre l'étoile le plus rapidement possible dans 1 110 ans à partir de l'année 2007.
Distances interstellaires
Les distances astronomiques sont souvent mesurées en fonction du temps qu'il faudrait à un faisceau de lumière pour se déplacer entre deux points (voir année-lumière). La lumière dans le vide se déplace à environ 300 000 kilomètres par seconde ou 186 000 miles par seconde.
La distance entre la Terre et la Lune est de 1,3 seconde-lumière. Avec les technologies actuelles de propulsion des engins spatiaux, un vaisseau peut couvrir la distance entre la Terre et la Lune en huit heures environ (Nouveaux Horizons). Cela signifie que la lumière se déplace environ trente mille fois plus vite que les technologies actuelles de propulsion des vaisseaux spatiaux. La distance entre la Terre et les autres planètes du système solaire va de trois minutes-lumière à environ quatre heures-lumière. Selon la planète et son alignement par rapport à la Terre, pour un vaisseau spatial non habité typique, ces voyages prendront de quelques mois à un peu plus d'une décennie. La distance par rapport aux autres étoiles est beaucoup plus importante. Si l'on réduit la distance entre la Terre et le Soleil à un mètre, la distance jusqu'à Alpha Centauri A serait de 271 kilomètres, soit environ 169 miles.
L'étoile connue la plus proche du Soleil est Proxima Centauri, qui se trouve à 4,23 années-lumière. Le vaisseau spatial le plus rapide jamais envoyé vers l'extérieur, Voyager 1, a couvert 1/600e d'année-lumière en 30 ans et se déplace actuellement à 1/18 000e de la vitesse de la lumière. À ce rythme, un voyage vers Proxima Centauri prendrait 72 000 ans. Bien entendu, cette mission n'était pas spécifiquement destinée à se rendre rapidement dans les étoiles, et la technologie actuelle pourrait faire beaucoup mieux. Le temps de voyage pourrait être réduit à quelques millénaires en utilisant des voiles solaires, ou à un siècle ou moins en utilisant la propulsion par impulsion nucléaire.
La relativité spéciale offre la possibilité de raccourcir le temps de voyage : si un vaisseau spatial doté de moteurs suffisamment avancés pouvait atteindre des vitesses proches de celle de la lumière, la dilatation relativiste du temps rendrait le voyage beaucoup plus court pour le voyageur. Cependant, cela prendrait encore de nombreuses années de temps écoulé, selon les personnes restant sur Terre. De retour sur Terre, les voyageurs constateraient qu'il s'est écoulé beaucoup plus de temps sur Terre que pour eux (double paradoxe).
De nombreux problèmes seraient résolus si les trous de ver existaient. La relativité générale ne les exclut pas, mais pour autant que nous le sachions à l'heure actuelle, ils n'existent pas.
Communications
Le temps de retard aller-retour est le temps minimum entre le moment où le signal de la sonde atteint la Terre et celui où la sonde reçoit des instructions de la Terre. Étant donné que les informations ne peuvent pas voyager plus vite que la vitesse de la lumière, ce délai est d'environ 32 heures pour le Voyager 1, et de 8 ans pour le Proxima Centauri. Il faudrait programmer des réactions plus rapides pour qu'elles s'effectuent automatiquement. Bien entendu, dans le cas d'un vol habité, l'équipage peut réagir immédiatement à ses observations. Cependant, le temps de retard aller-retour les rend non seulement extrêmement éloignés mais, en termes de communication, extrêmement isolés de la Terre. Un autre facteur est l'énergie nécessaire pour que les communications interstellaires arrivent de manière fiable. Il est évident que les gaz et les particules dégraderaient les signaux (extinction interstellaire), et il y aurait des limites à l'énergie disponible pour envoyer le signal.
Missions habitées
La masse de tout vaisseau capable de transporter des humains serait inévitablement beaucoup plus importante que celle nécessaire à une sonde interstellaire non habitée. Les temps de voyage beaucoup plus longs nécessiteraient un système de survie. Les premières missions interstellaires sont peu susceptibles de transporter des formes de vie.
