Voiles solaires (propulsion phototonique)

ESPACE DECOUVERTE « ODYSSEE SPATIALE »
Documentation ciblée
Voiles solaires (propulsion phototonique)
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Principes de fonctionnement
L’énergie lumineuse exerce une pression sur les surfaces qu’elle rencontre (démontré par James C.
Maxwell en 1873 à l’aide d’un miroir). D’autre part, les photons (« grains de lumière », particules qui
constituent le vent solaire) ont une masse (Einstein) et se déplacent à 300 000km/s. Au moment de la
collision avec une surface (ici une voile), les photons cèdent une partie de
leur quantité de mouvement, selon le principe de conservation de
l'impulsion. Ceci ce traduit par une pression exercée sur la voile, qui fait
avancer la sonde. Le photon heurte la voile et repart en sens inverse.
On sait aujourd'hui qu'au niveau de la Terre, la lumière émise par le Soleil exerce une pression de
l'ordre de 9 micro newtons par mètre carré, soit le poids d'une pièce de monnaie pour la surface d'un
terrain de football. Cet effet apparemment négligeable ne l'est plus lorsqu'il s'applique, dans les
conditions d'impesanteur spatiale où il n'y a pas de résistance, à des structures possédant un bon
rapport surface/masse (petite masse grande surface).
Dans un environnement quasi exempt de friction (comme dans l’espace), le flux de photons peut donc
être utilisé pour la propulsion. Pour cela, le vaisseau spatial doit être équipé de très fines voiles
réfléchissantes, qui capteront poussée qu'exerce la lumière solaire sur tout objet qu'elle croise sur sa
course.
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Avantages
Le principal avantage sur les autres types de propulsion est très important : pas de moteur donc pas
de carburant.
Par ailleurs, le poids de l’ensemble propulsif est de l’ordre du centième du poids de l’équivalent d’un
moteur et de son réservoir, dans le cas d’une fusée conventionnelle.
Dans le meilleur des cas, la propulsion photonique ne produira pas une accélération supérieure à
quelques mm/s2. Celle-ci pourtant, contrairement aux modes de propulsion "classiques" (les réacteurs
chimiques par exemple), s'exerce de façon constante et sans aucune limitation dans le temps .
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Inconvénients
Le plus gros inconvénient reste le fait que plus la charge (instruments de mesures, vivres, hommes.. .)
sera importante, plus les dimensions du voilier solaire seront grandes, et il ne s'agira pas de rajouter
quelques mètres de voiles pour permettre d'emporter un kilogramme de plus, mais plusieurs centaines
de mètres de voiles seront nécessaires au minimum.
Il faut donc réussir à fabriquer des voiles de quelques dizaines de mètres de large et de plusieurs
kilomètres de long, pour seulement dix microns d'épaisseur !
De plus, le flux solaire diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne, de la source lumineuse (par ex.
le Soleil ou une étoile). Donc la poussée ne cesse de diminuer quand on sort du système solaire. Et
bien sur, elle est un frein si I'on veut faire le chemin inverse, c'est similaire à vouloir remonter le
courant dans une rivière. Il est donc indispensable d'avoir recours à une deuxième propulsion à partir
d'une certaine limite.
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En SF
Faisant leur apparition dans la science-fiction dès les années 1920, les voiles solaires se présentent
au départ sous forme de vaisseaux géants à voilures multiples.
Il existe plusieurs types de voiles photoniques. Dans le modèle de base, le véhicule spatial s’appuie
sur la seule poussée de la lumière en provenance des étoiles. C’est ce type de voile qu’on trouve
chez Cordwainer Smith. Dans ses œuvres datant des années 1950, les vaisseaux interstellaires
habités sont propulsés par des voiles photoniques. La superficie des plus petites voiles des tout
débuts ne dépasse pas 5000 km2. Elles sont constituées de “toile métallique”, probablement une
sorte de filet arachnéen visant à alléger ces voiles gigantesques. Chaque vaisseau possède de
multiples voiles dont la manipulation permet de le diriger, à l’instar des voiliers d’aujourd’hui. Il n’y a
d’accélération que si l’intensité lumineuse est suffisante, c’est-à-dire dans les zones centrales des
systèmes solaires. On imagine alors une vitesse maximale d’environ 25 % de la vitesse de la lumière.
La forme la plus simple d’une voile de type solaire est celle d’un cercle ou d’un carré de grande
dimension tractant le véhicule spatial au bout de filins . C’est un véhicule de ce type qui est utilisé dans
“Rocheworld” de Robert Forward.
La voile poussée par laser est une autre forme de voile photonique qu’un laser géant ou un réseau de
lasers bombarde d’un faisceau lumineux monochrome (plus facile à réfléchir efficacement que la
lumière solaire). La voile solaire utilisant l’énergie laser offre apparemment le seul moyen de disposer
d’une voile photonique efficace pour les voyages interplanétaires. On trouve dans les premières
“Tales of Known Space” (Récits de l’Espace connu) de Larry Niven des batteries de lasers dont la
lumière est focalisée par une lentille géante. On peut ainsi atteindre une puissance totale de 65 GW.
La voile photonique proprement dite est à deux étages, dont une grande voile extérieure de forme
légèrement concave. Arrivée à proximité de la destination, la voile extérieure se détache de la voile
intérieure tout en restant probablement connectée à celle-ci. Le faisceau laser est alors réfléchi par la
grande voile extérieure sur l’autre voile, freinant ainsi le véhicule spatial. L’inconvénient de la voile
photonique poussée par laser réside dans la formidable puissance laser nécessaire pour propulser le
véhicule spatial dans l’espace interstellaire.
Extrait de Bereshit, première publication dans Maelstrom n°1, 1991 ; repris dans les recueils Les
Voyageurs sans mémoire (Encrage, 1997) et Chroniques du Premier Age (Rivière blanche, 2006)
Aux jours anciens, Kevin construisait de drôles d’engins en bois tendre et léger qu’il lançait dans la rue
après avoir grimpé jusqu’au grenier et ouvert la porte par laquelle on montait jadis les sacs de blé.
Isaac se souvient avec précision de l’un des appareils fabriqués par Kevin : un simple habitacle en
forme de cocon, enserrés d’ailes annulaires en papier d’aluminium, immenses et majestueuses…
Une fois, en le lançant, Kevin s’était écrié : « C’est le Sun Beaver ! Un jour, il m’emportera jusqu’aux
étoiles, poussé par le souffle du soleil… » Et Rachel avait ri de bonheur en voyant le vaisseau planer
dans l’air brillant, saturé de lumière.
Description du voilier solaire et des procédures d’arrivée dans :Des signes dans le ciel, première
publication dans l’anthologie Escales sur l’horizon (Fleuve Noir, 1998).
L’un des derniers romans de Bernard Werber, Le papillon des étoiles (2006), fait la part belle à la
construction d’une immense arche stellaire à propulsion solaire.
Document : peinture de Bruce PENNINGTON pour la couverture de A Wilderness of Stars, anthologie
de William F. NOLAN, Corgi, 1971. Reproduite dans Ultraterranium, the Paintings of Bruce
Pennington, Paper Tiger, 1991.
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Où en est la science actuellement ?
Les premiers travaux sur la propulsion photonique, datent de 1915 en Russie réalisés par Yakov
Perelman, puis poursuivis par Fridrikj Tsanker.
Mais la propulsion photonique entre dans une véritable phase opérationnelle lorsque la NASA en
1973, envisageant le rendez-vous d'une sonde spatiale avec la comète de Halley, engage un
programme de recherche sur les voiles solaires. Pour de multiples raisons, le projet est abandonné en
1977. Il a su toutefois prouver sa faisabilité technique, et continue à vivre dans l'esprit de plusieurs
chercheurs du JPL (Jet Propulsion Laboratory), qui décident de poursuivre leurs travaux avec des
ressources privées au sein d'une association qu'ils créent pour la circonstance, la World Space
Foundation (WSF).
En 198 1, l'intérêt des professionnels de l'astronautique pour les voiles solaires se traduit en Europe
par la création de l'Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique (U3P), association composée
notamment d'ingénieurs du CNES et de I'ONERA dont le but, a l'instar de WSF, est de concevoir un
voilier dans un cadre amateur.
Les voiles solaires sont très près de sortir du domaine de la fiction. Les essais de Znamya exécutés
par les Russes dans les années 1990 portaient sur les applications des films minces de faible masse
dans l’espace. Si leur objet premier était d’éclairer la surface de la Terre, ils ont également permis de
tester des modes de propulsion nouveaux.
Aux Etats-Unis, un objet léger de forme concave a été hissé à 20 m de hauteur au moyen d’un
faisceau laser.
En Europe, l’ESA et le DLR ont mis au point la technologie de voiles solaires de dimensions
suffisamment réduites pour être emportées dans l’espace et de masse suffisamment faible pour
fonctionner efficacement. Un modèle de 20 m x 20 m composé de segments de voile à revêtement
d’aluminium munis de crochets en plastique renforcé de fibres de carbone a été fabriqué et soumis
aux essais.
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Liste des références :
ARIB, SABIN, Etude des propulsions aéronautiques et spatiales du futur, rapport de stage, maîtrise
Sciences de l’univers
SIBILLE François, L’homme et l’espace (ppt issu d’une conférence)
Les nouvelles technologies dans la science-fiction, appliquées au domaine spatial, ESA, 2002.