La propulsion par voile solaire est-elle un axe de développement prometteur pour l’exploration spatiale ?

Par Florent TALANDIER,
Consultant senior en financement de l’innovation – ACIES | ABGI Group

En 1963, l’auteur Arthur C. Clarke imagine dans « Le vent qui vient du soleil » une course de voiliers spatiaux entre la Terre et la Lune. Aujourd’hui, les recherches scientifiques ont rendu possible cette vision science-fictive. Par analogie marine, l’air est remplacé par la lumière (photons) et le vent par la pression de radiation.

La propulsion par voile solaire peut constituer un développement majeur dans le domaine de l’exploration spatiale. Elle peut également représenter un écueil pour les organisations qui investissent sur cette technologie aux performances certes prometteuses, mais incertaines.

Propulsion spatiale par voile solaire

Une « voile solaire » ou « photovoile » désigne un système de propulsion mettant en œuvre la pression de radiation émise par une étoile (le Soleil par exemple) afin d’engendrer un mouvement dans l’espace. Cette technologie est rendue intéressante par les limitations propres aux technologies de propulsion électriques ou chimiques actuelles (problématiques de distribution d’énergie complexe, d’intégration de batteries ou encore de réservoirs sous pression).

La pression de radiation (ou « pression de rayonnement ») est issue du rayonnement électromagnétique appliquée sur une surface donnée. Les valeurs de ces pressions étant très faibles (de l’ordre de la dizaine de picobar pour 1 m² de surface considérée ), ce phénomène est donc intéressant pour les objets ayant déjà atteint leur vitesse de libération ou de satellisation.

Les projets en cours de développements

Plusieurs prototypes de petite taille, destinés à mettre au point les systèmes de déploiement et de contrôle d’orientation particulièrement délicats, ont été placés en orbite ou sont en cours de développement :

• IKAROS (voile de 173 m²) de l’agence spatiale japonaise (JAXA). Il est le premier projet de développement d’un objet à voile solaire, lancé en 2010. Les résultats sont mitigés. En effet, la force exercée sur la sonde spatiale d’une masse de 315 kg permet d’augmenter la vitesse d’une dizaine de m/s au bout d’un mois.
• LightSail est une famille de nanosatellites développée par Planetary Society. Son but est de démontrer la cohérence liée à la mise en œuvre d’un tel dispositif sur les satellites CubesSat (dont la masse est de 1,33 kg). Ce démonstrateur technologique comporte notamment une voile solaire d’une superficie de 32 m² réalisée en mylar. L’objectif technique est d’évaluer la capacité du satellite équipé d’une voile solaire à contrôler son orientation et modifier son orbite. Un premier prototype a été déployé en orbite basse mi-2015. Parvenu en orbite, le satellite a cependant rencontré plusieurs problèmes. Notamment, des anomalies dans le logiciel embarqué, puis des coupures de télécommunications et enfin un comportement anormal de la batterie électrique. Finalement, le satellite parvient à déployer la voile solaire remplissant ainsi son objectif principal.
• Depuis 2016, le projet Breakthrough Starshot ambitionne d’utiliser la pression de radiation couplée à une voile optique pour propulser des sondes à une vitesse de 20% de la vitesse de la lumière à l’aide d’un laser haute puissance situé sur Terre.
• D’autres projets similaires envisagent d’utiliser des lasers de puissance situés en orbite terrestre (initialement prévus pour détruire des astéroïdes) pour « éclairer » la sonde.

Prototype de la voile de Lightsail 1.

Les limitations et incertitudes techniques

Le programme “Sunjammer” de la NASA, prévoyait une voile solaire d’une superficie de 1200 m² et d’une masse de 32 kg en Kapton. Le kapton est un matériau très léger et très résistant aux conditions spatiales extrêmes, avec une épaisseur de 5 µm. Ce projet a néanmoins été stoppé en raison de difficultés de développement. Cela témoigne du caractère complexe et incertain de ce concept.

En effet, quelle que soit l’architecture de voile considérée, des difficultés sont présentes :

• Les voiles carrées sont solides et faciles à diriger, mais complexes à déployer et moins performantes. Elles offrent en effet moins de surface utile aux rayons solaires.
• Par ailleurs, les voiles circulaires : faciles à déployer par mouvement de rotation, mais très complexes à diriger.
• Enfin, les voiles héliogyres (constituées de pales fixées autour d’un axe central) : aisées à déployer et à diriger, mais moins rigides et donc plus fragiles.

Par ailleurs, même si l’espace est quasiment démuni de forces de frottement, l’élément équipé de voiles solaires reste soumis aux forces gravitationnelles qui l’entourent : Terre, Soleil, Lune ou toute autre planète en cas d’exploration spatiale. Pour limiter cet effet, il est nécessaire de développer un objet présentant une faible masse. Cela rend alors difficile le déploiement d’une voile solaire de grande dimension et limitant donc la pression radiative. Cela ajoute ainsi une complexité mécanique et constitue une source potentielle d’échec.

Concernant les projets à propulsion par laser, au sol ou en orbite, tels que Breakthrough Starshot, une trentaine de sources d’incertitudes ont été identifiées, parmi lesquelles :

• La manœuvrabilité de la sonde par diodes laser.
• La batterie et la source d’énergie (voile photovoltaïque, source à radio isotopes…).
• La résistance au flux lumineux.
• La stabilité de la sonde durant l’accélération de manière à rester dans le faisceau laser.
• La focalisation de rayons laser synchronisés en phase et sur un angle inférieur au nanoradian.
• Le refroidissement de l’émetteur laser nécessitant l’évacuation d’environ 100 GW sur une dizaine de minutes.
• La réception du signal depuis la Terre.
• ou encore la réaction au milieu interstellaire (micrométéorites, rayonnement cosmique) altérant la voile et nécessitant un blindage.

Enfin, dans l’optique de mise en orbite d’un tel vaisseau de propulsion par voile solaire autour d’une planète du système solaire ou bien même d’une exoplanète d’une autre étoile, il convient de pouvoir freiner le vaisseau (par pression de radiation, assistance gravitationnelle des exoplanètes…). Compte tenu de la vitesse extrême atteinte et des objectifs de légèreté, cela représente une grande complexité et constitue un défi important pour les chercheurs des générations à venir.

Malgré ces difficultés techniques, différents acteurs de l’exploration spatiale étudient sérieusement ce concept. À terme, l’objectif est de mettre au point des vaisseaux spatiaux capables de voyager dans le système solaire et au-delà. En effet, cette nouvelle approche des voyages spatiaux pourrait théoriquement permettre d’atteindre Mars en 3 jours (pour un vaisseau inhabité d’une masse d’une dizaine de grammes) au lieu de 5 mois actuellement, ou bien Alpha du Centaure en 15 ans au lieu de 40 000 ans. Ceci ouvre ainsi de nouvelles perspectives d’exploration galactique au-delà du système solaire.

Références :

 Casner, Déformations, manipulations et instabilités d’interfaces liquides induites par la pression de radiation d’une onde laser. Thèse de l’Université Bordeaux III, 2002.

Cameron Scott, Japanese Spacecraft Successfully Deploys First Solar Sail in Space, Inhabitat.com,‎ 2010.

 JAXA Press Release, Small Solar Power Sail Demonstrator ‘IKAROS’ Confirmation of Photon Acceleration, 2010.

cubesat.org

Jason Davis, Meet LightSail 2, The Planetary Society’s new solar sailing CubeSat. The Planetary Society, 2016.

Jason Davis, Software Glitch Pauses LightSail Test Mission, Planetary Society, 2015.

Jason Davis, LightSail Test Mission Declared Success; First Image Complete, Planetary Society, 2015.

breakthroughinitiatives.org

Dan Leone, NASA Nixes Sunjammer Mission, Cites Integration, Schedule Risk. spacenews.com, 2014.