Les voiles solaires !

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Les voiliers solaires et la propulsion photonique

  « Comme des bateaux poussés par le vent,

  De grands voiliers solaires prendront un jour leur envol dans l’espace. »

Arthur C.Clarke, 1963, « Le vent qui vient du Soleil »

  Le 21 Juin dernier, le sous marin nucléaire russe Borisoglebsk immergé en mer de Barents (Russie) lançait la fusée Volna, une adaptation du missile balistique militaire SS-N-18. Un remake de la guerre froide ? Non, un projet de démonstration visant à préparer les voyages interplanétaires et intersidéraux du futur.

  A bord de Volna, pas de charge explosive, mais une voile solaire de 40 kg et de 30 mètres de diamètre, soigneusement pliée dans sa capsule. Objectif de la mission : montrer à la face du monde les perspectives offertes par la propulsion solaire. Et envoyer dans l’espace le premier « voilier solaire ».

L’histoire de la propulsion par voile solaire

  Cette histoire commence en 1616, avec l’étude de la trajectoire des corps célestes menée par Johannes Kepler. En observant le mouvement d’une comète, il constate alors que sa queue, constituée de cristaux de glace et de poussières, ne se trouve pas dans son sillage, mais est poussée dans la direction opposée à celle du soleil. Il a alors eu l’intuition que la lumière solaire exerçait une pression sur ces particules.

La première mise en évidence de la pression photonique

    Quand une comète arrive à proximité du soleil, la glace de son noyau s’évapore et forme un nuage de poussière, appelé « chevelure », qui s’étire au fur et à mesure qu’elle approche du soleil et peut ainsi atteindre plusieurs millions de kilomètres.

  Sur cette image, la flèche rouge donne le sens de la trajectoire de la comète. Le fait étrange qui a mis la puce à l’oreille de Kepler en 1616 était le suivant : la trajectoire de la « chevelure » ne traîne pas dans son sillage, c'est-à-dire qu’elle n’est pas opposée à la flèche rouge, mais qu’elle a une trajectoire propre. Kepler en a déduit que d’autres forces étaient à l’œuvre : il avait mis en évidence la pression de radiation du soleil.

  On peut également noter la présence de deux queues distinctes, l’une droite et l’autre recourbée, bien visibles sur la photographie ci-dessus.

   La première (flèche jaune) est le fruit du plasma poussé par le vent solaire. Les ions étant très légers, ce phénomène est rapide et la queue, rectiligne, pointe dans le sens opposé à la direction du soleil (la flèche jaune pointe donc vers le soleil).

  La seconde queue est formée de particules de poussières, plus lourdes, qui sont également poussées par la pression de radiation du soleil. Néanmoins, comme leur poids est plus important, ce phénomène est plus lent et se trouve affecté par la trajectoire de la comète.

   Ainsi, l’effet résultant est à peu de chose près la somme des deux contributions « mouvement de la comète » et « pression des particules lumières sur les particules de poussière » et tend à courber la queue (flèche bleue).

  En 1873, les travaux de Maxwell sur l’électromagnétisme permettent d’expliquer ce phénomène et de lui donner un nom : la pression de radiation (cf. en savoir plus). Il est désormais communément admis que la lumière exerce une pression sur la matière.

En savoir plus sur la pression de radiation

  Ecrites en 1864, les équations de Maxwell permettent d’englober dans le même cadre électricité et électromagnétisme. Ces équations prédisent qu’un champ électrique oscillant est toujours associé à un champ magnétique oscillant et qu’ils se propagent de conserve sous la forme d’une onde « électromagnétique ».

  Quand Maxwell calcula la vitesse de propagation de ces ondes, il constata qu’elle était proche de celle de la lumière. Il suggéra alors que la lumière était une onde électromagnétique, fait qui serait démontré quelques années plus tard.

  Ainsi, on venait de prouver que la lumière avait une existence physique propre. Après émission, la lumière se déplace de manière autonome et propage de l’énergie. Mais, fait remarquable, elle propage également de la vitesse (de la « quantité de mouvement » plus exactement), et peut transmettre une partie de cette vitesse aux corps qui la touchent. Rapportée à une surface et à un temps, cette vitesse est la pression de radiation de la lumière sur la matière. 

  La première utilisation de la propulsion solaire en milieu spatial date de 1973. Partie explorer les planètes Vénus et Mercure, la sonde Mariner 10 connaît des problèmes avec son contrôleur d’attitude. Défectueux, l’appareil consomme de l’énergie en trop grande quantité. Pour pallier à ce problème et ne pas arrêter prématurément la mission, les ingénieurs décident de repositionner les panneaux solaires et de s’en servir de voile solaire. Ainsi, ils permettent à Mariner 10 de retrouver son orbite nominale.

 

La sonde Mariner 10, dont les deux grands panneaux solaires constituèrent les premières voiles solaires dans l’histoire  de la conquête spatiale (Crédits : NASA)

  Puis ce fut au tour des russes, en 1993, de déployer leur première voile solaire. Dénommée Znamia (ou « le Drapeau »), celle-ci consistait en une voile d’aluminium de 20 mètres de diamètre tendue en orbite. Vieux de 13 ans (une première tentative avait été faite en 1981 et s’était soldée par un échec), le projet visait initialement à installer un réseau de réflecteurs (miroirs) capable d’éclairer pendant l’hiver polaire les villes du Nord de la Russie !

Voile Znamia (Excerpt of the report of Guy Pignolet
© Pignolet - Tsoup - Space Regatta Consortium)

  L’exemple russe fut bientôt suivi par les USA, qui larguèrent en 1996 la voile solaire Spartan 207 à partir de la navette spatiale américaine. Véritable voilier solaire, spartan 207 déployait sa voile à l’aide de mâts gonflables.

 

 Spartan 207 (Crédits : NASA)

  Les deux projets Cosmos 1 ferment la marche des dernières tentatives de propulsion par voile solaire. Lancées de sous-marins en 2001 et 2005, ces voiles solaires se sont perdues sur une orbite basse ou en mer.

Le mode de fonctionnement de la voile solaire

  Contrairement aux idées reçues, ce n’est pas le vent solaire (le flux de neutrons et d’électrons émis par le soleil) qui gonfle la voile. Ce sont les photons (les particules de lumière) émis par le soleil qui, en rebondissant sur la surface réfléchissante de la voile comme sur un miroir, lui impriment une accélération. C’est cette  pression de radiation, cent mille fois plus intense que celle du vent solaire, qui fait avancer les voiliers spatiaux. Et plus la voile est grande et ténue, plus la force subie par la voile est importante.

  Néanmoins, à proximité de la terre, la poussée exercée par le rayonnement n’est que de neuf grammes par hectare. Jean-Yves Prado, ingénieur au CNES et membre de l'Union pour la promotion de la propulsion photonique (U3P) disait justement à ce propos "Elle peut se comparer à la pression qu'exercerait un morceau de sucre sur un terrain de football". Il résulte de cette pression infime une très faible accélération. Mais ce handicap est compensé sur des missions longues par la constance de l’accélération, qui permet à la voile d’augmenter sa vitesse tout au long de son voyage. Ainsi, à titre d’exemple, la voile Cosmos 1 lancée en 2005, d’une surface de 600 m², aurait pu atteindre la vitesse de 16000 km/h en l’espace de trois mois de voyage, et de 36000 km/h en un an.

  Mais le principal avantage des voiles solaires est qu’elles n’ont pas besoin d’emporter leur « carburant ». En effet, celui-ci est fourni en abondance par le Soleil, et ne coûte pas très cher ! Ainsi, le poids de l’ensemble propulsif (l’équivalent du poids du moteur ajouté à celui du réservoir dans le cas d’une fusée conventionnelle) est divisé par 100.  

  Comment dirige-t-on la voile solaire ? me demanderez vous. La réponse est simple : en orientant convenablement la voile par rapport au soleil, plus précisément en faisant varier l’angle entre la voile et le flux de photons.

Comment se pilote une voile solaire ?

 

 Crédit : Olry C.

  Le soleil émet dans toutes les directions des flux de photons (on dit que le rayonnement est « sphérique »). Les photons (particules de lumière) rebondissent sur la voile en suivant les lois de la réflexion et transmettent une partie de leur vitesse (de leur quantité de mouvement plus exactement) à la voile.

  Ainsi, comme on le voit ci-dessus, si la voile fait un angle de 45 degrés avec le flux de photons, la voile se déplacera dans la direction indiquée par la flèche rouge. Et si elle est placée perpendiculairement au flux, elle avancera en ligne droite.

  Ainsi, à l’aide d’un petit moteur attaché à la voile, on peut la faire pivoter et ainsi modifier sa trajectoire. Mais comme nous allons le voir dans la suite, tout n’est malheureusement pas si simple…

Les contraintes de la propulsion photonique

  La contrainte première de la voile solaire est sa faible manoeuvrabilité. Alors qu’une fusée conventionnelle à propergols peut se manœuvrer simplement par changement d’inclinaison du cône d’éjection des gaz, et permet des modifications de trajectoires relativement rapides, la voile solaire, quant à elle, est lente et difficile à diriger.

  En effet, de par la nature des forces en jeu (l’attraction gravitationnelle et la pression photonique, répulsive), la voile ne peut pas avoir une trajectoire rectiligne comme une fusée traditionnelle, mais décrit invariablement une spirale autour de son point attractif (la terre dans le cas d’un départ de la planète bleue). De deux choses l’une : si la voile accélère, sa trajectoire décrit une spirale tendant à l’éloigner de la terre (voir schéma ci-dessous) ; si elle freine, elle décrit des ellipses dont la terre occupe l’un des foyers et tend à s’en rapprocher. Le chemin le plus court étant généralement la ligne droite (le terme « généralement » tenant compte de la théorie de la relativité d’Albert Einstein), ce type de trajectoire est très long. Et elle est également très lente, compte tenu de la faible vitesse de croisière de la voile. Pour un objectif donné, la prévision de sa trajectoire en amont de la mission fait donc appel à des calculs mathématiques très complexes.

Spirale d’évasion de la terre

(Crédit : Olry C.)

  Ainsi, de par le type de trajectoire décrit par la voile, et contrairement aux premières intuitions, il est à noter qu’il est possible de se rapprocher du soleil en utilisant la propulsion photonique.

     Cosmos 1

Credit : the planetary society

  L’autre contrainte de la propulsion photonique est liée au déploiement de la voile. En effet, si celle-ci est lancée d’une orbite trop basse, elle pourra mettre plus d’une année à décrire la spirale d’évasion de la terre. La cause en est principalement l’intensité de la force gravitationnelle, qui varie comme l’inverse du carré de la distance terre-voile. Celle-ci étant très importante en orbite basse, la voile aura plus de mal à « s’arracher » à son attraction.

  Ainsi, pour pallier aux mauvaises performances de la propulsion photonique en orbite basse, il faut le satelliser préalablement à une altitude élevée, et donc déployer la voile en dehors de l’atmosphère.

  Les contraintes associées sont donc l’utilisation d’une fusée ou d’une navette pour amener la voile à la bonne altitude, son largage contrôlé ainsi que son déploiement « en plein vol », qui est risqué si on tient compte de son envergure (entre vingt mètres et trente mètres de diamètre !) et de sa fragilité.

  Si la propulsion photonique n’est pas idéale pour des missions proches de la terre, dans le cas de long voyage, elle offre des avantages qui contrebalancent aisément ces quelques contraintes :

-         Le coût d’une voile est négligeable par rapport à celle d’une sonde conventionnelle.

-         Elle n’emporte pas de carburant, car les photons se trouvent en abondance dans l’espace. De ce fait, elle est beaucoup plus légère que les systèmes actuels.

-         Elle nécessite également peu d’électronique embarquée.

-         Enfin, ce mode de propulsion peut être considéré comme « écologique », en regard des éjections d’alumine et d’autres déchets toxiques rejetés par les fusées dans l’espace. 

Des courses Terre-Lune de voiliers solaires ?

  Si le concept de voilier solaire a autant le vent en poupe, c’est que depuis des décennies, des projets toujours plus innovants ont éclos sur le terreau de la propulsion photonique.

  En particulier, depuis plus de vingt ans, l’organisme U3P projette d’organiser la Luna Cup, une course de voiles solaires. Le but du jeu : atteindre la lune et photographier le premier sa face cachée. Les véhicules : des voiles solaires, dont la seule possibilité pour rejoindre la Lune est de décrire des centaines d'orbites de plus en plus étirées autour de la terre.

  Si cette entreprise était avant tout un coup publicitaire pour promouvoir la propulsion photonique, les avantages des voiles solaires sont établis : légères, sans « carburant », simples d'emploi une fois déployées, mais surtout beaucoup plus économiques, elles offrent une bonne alternative aux systèmes de propulsion actuels, et tout particulièrement quand il s'agit de missions au delà du système solaire. Par exemple, les concepteurs de Cosmos-1 évaluaient qu'un voyage vers Mars en voile solaire coûterait quinze fois moins que toutes les autres solutions envisagées par la Nasa.

La voile solaire, propulsion du futur ?

  Si le déploiement de Cosmos 1 s’est soldé par un échec, suite à l’arrêt prématuré du premier étage du lanceur Volna et du dépôt de la voile sur une orbite trop basse, l’engouement pour la propulsion photonique reste très fort. Avec l’aérocapture et le moteur nucléoélectrique, la propulsion photonique reste l’un des concepts retenus par la Nasa pour les futures missions aux confins du système solaire.

  Il ne faudra donc pas s’étonner si, dans les prochaines décennies, de telles voiles se multiplient dans l’espace. A quand un « fleuve commercial » dans l’espace, rejoignant la terre à mars et dans lequel croiseraient des centaines de voiliers solaires ?