Propulsion photonique : voyager dans le Système solaire à la voile

Mal­gré les extra­or­di­naires avan­cées tech­no­lo­giques dans le domaine spa­tial, force est de consta­ter que le prin­cipe de pro­pul­sion des vais­seaux spa­tiaux n’a pas beau­coup évo­lué. Ce prin­cipe, c’est l’action-réaction : plus on pro­jette vite une grosse quan­ti­té de matière dans un sens, plus la force créée en retour nous per­met d’avancer, dans l’autre sens.

C’est grâce à cela que l’on fai­sait déjà tour­ner une petite machine à vapeur au I^er siècle ap. J.-C., et c’est le même prin­cipe qui régit le décol­lage du lan­ceur Ariane 5 ou le dépla­ce­ment de la sonde japo­naise Haya­bu­sa 2 autour de son asté­roïde Ruy­gu. Mais alors… tant qu’à s’inspirer de tech­niques ances­trales pour se dépla­cer dans l’espace, pour­quoi ne pas uti­li­ser le moyen qui a per­mis de tout temps à l’humanité de pilo­ter et pro­pul­ser ses bateaux pour décou­vrir de nou­veaux conti­nents : la voile ?

Cette phrase désor­mais célèbre de la pop-culture, qui a accom­pa­gné la série de films de science-fic­tion « Alien », révèle un aspect fon­da­men­tal de l’espace : l’air y est absent. Pour que le son se pro­page, il faut un milieu maté­riel (gaz, liquide ou solide), d’où l’impossibilité d’appeler au secours dans le vide spa­tial. Et par consé­quent, s’il n’y a pas d’air, il n’y a pas de vent non plus. Nos plus beaux bâti­ments de la Marine à voile seraient donc bien peu avi­sés d’essayer de se dépla­cer en dehors de l’atmosphère ter­restre. Mais heu­reu­se­ment, cela ne sonne pas le glas de nos pro­jets de voi­liers spa­tiaux. En effet, ce qu’on appelle bien impro­pre­ment « vide spa­tial »… n’est pas par­fai­te­ment vide.

Si, effec­ti­ve­ment, la quan­ti­té de matière y est réduite à quelques atomes par cen­ti­mètre cube, l’espace est, en revanche, empli de pho­tons, c’est-à-dire de par­ti­cules de lumière. Au niveau de l’orbite ter­restre, chaque mètre car­ré de sur­face reçoit, de la part du Soleil, envi­ron 10²¹ (1000 mil­liards de mil­liards de) pho­tons chaque seconde. Or, lorsqu’un pho­ton rebon­dit sur une sur­face, il lui trans­fère une quan­ti­té infime d’énergie sous forme de recul. Cet effet de pres­sion de la lumière sur la matière est obser­vé depuis des siècles.

En 1619, le grand astro­nome Johannes Kepler sup­po­sait déjà que l’orientation de la queue des comètes était due à l’effet de « souffle » de la lumière du Soleil. Les pre­mières expli­ca­tions mathé­ma­tiques vien­dront du célèbre phy­si­cien James Max­well en 1873, et les pre­mières mesures de cet infime effet de recul de la lumière sur une paroi ont été faites quelques années plus tard, au tout début du XX^e siècle.

Donc, en théo­rie, il est pos­sible de construire une voile pous­sée… par la lumière. Mais cette pous­sée est-elle suf­fi­sante ? Quelle devrait être la taille d’une voile spa­tiale pour cap­ter assez de pho­tons et ain­si bou­ger sous l’unique effet de la lumière solaire ?

Les cal­culs montrent que pour accé­lé­rer 1 kg de matière et faire aug­men­ter sa vitesse de 1 m/s toutes les secondes, il faut, au niveau de l’orbite ter­restre, une voile d’environ 100 000 m², c’est-à-dire une voile car­rée d’environ 330 mètres de côté. Il faut donc une sur­face très grande pour une accé­lé­ra­tion encore très faible. À cette étape, il serait ten­tant de décla­rer cette méthode inef­fi­cace, de jeter à la pou­belle le papier sur lequel on a fait ces cal­culs et de pas­ser à un autre sujet de recherche. Mais ce serait pas­ser à côté d’une infor­ma­tion capi­tale que l’on n’a pas envi­sa­gée jusqu’ici : cette source d’énergie est gra­tuite et perpétuelle !

En effet, le Soleil brille depuis presque 5 mil­liards d’années, et conti­nue­ra de le faire tout aus­si long­temps. Contrai­re­ment aux autres modes de pro­pul­sion spa­tiaux, qui néces­sitent tou­jours un réser­voir de car­bu­rant à chauf­fer et éjec­ter vers l’arrière pour pous­ser l’engin vers l’avant, ici, aucun réser­voir n’est néces­saire. Aucune panne n’est à craindre ! Et si le début du voyage de notre voile solaire était assez modeste, n’oublions pas que l’accélération serait constante, et pour­rait être main­te­nue pen­dant des années, des décennies !

En pour­sui­vant les cal­culs com­men­cés plus haut, on montre qu’au bout de 100 jours de fonc­tion­ne­ment, dans des condi­tions réa­listes, une voile solaire pour­rait atteindre 14 000 km/h. Trois ans plus tard, sa vitesse attein­drait 240 000 km/h : de quoi atteindre Plu­ton, l’un des corps les plus loin­tains du Sys­tème solaire, en 5 ans seule­ment. À titre de com­pa­rai­son, il a fal­lu presque 10 ans à la sonde New Hori­zons pour faire le même voyage.

C’est cette idée d’une pous­sée faible mais conti­nue qui a pous­sé plu­sieurs groupes de recherche à tes­ter des pro­to­types de plus en plus per­fec­tion­nés depuis quelques années. La 1^ère voile solaire a été déve­lop­pée par l’organisation à but non lucra­tif « The Pla­ne­ta­ry Socie­ty ». La charge utile était com­po­sée d’un corps cen­tral de 100 kg entou­ré par 8 petites voiles solaires de 30 mètres cha­cune. En 2001, un pre­mier lan­ce­ment du pro­to­type se ter­mine par un échec. Le pro­to­type est recons­truit et lan­cé, en 2005, par un ancien mis­sile balis­tique inter­con­ti­nen­tal depuis un sous-marin russe. Là encore, la com­mu­ni­ca­tion est rapi­de­ment cou­pée et plus per­sonne n’entendra par­ler de cet engin-là non plus.

Ces débuts dif­fi­ciles ne décou­ragent pas les cher­cheurs et phy­si­ciens. En 2010, l’Agence d’exploration aéro­spa­tiale japo­naise (JAXA) envoie en orbite la voile solaire IKAROS, de 14 mètres de côté. Cette fois-ci, le suc­cès est au ren­dez-vous. Au bout d’un mois, la vitesse de l’engin de 315 kg (dont 15 kg de voile) a aug­men­té d’environ 10 m/s. L’agence japo­naise valide ain­si le prin­cipe de voile solaire et confirme qu’il est pos­sible de déployer et diri­ger un tel engin dans l’espace. Sui­vront enfin Light­Sail 1 et Light­Sail 2, construits par The Pla­ne­ta­ry Socie­ty et envoyés dans l’espace res­pec­ti­ve­ment en 2015 et 2019, qui confirment la pos­si­bi­li­té d’attacher une voile solaire à un satel­lite pour modi­fier son orbite.

L’un des défauts des pre­mières voiles solaires était qu’elles ne pou­vaient mettre en mou­ve­ment que de petites charges utiles situées au centre de la voile. Les pre­miers pro­to­types étaient trop lourds pour être accé­lé­rés sen­si­ble­ment. Aujourd’hui, l’essor des nou­velles tech­no­lo­gies, l’utilisation de nou­veaux maté­riaux et de l’élec­tro­nique minia­tu­ri­sé per­mettent de construire des nano­sa­tel­lites de quelques kilo­grammes à peine. Leurs per­for­mances pro­mettent d’être bien­tôt aus­si bonnes que les énormes satel­lites actuels de plu­sieurs cen­taines de kilo­grammes, grâce, entre autres, à l’utilisation d’algorithmes d’intelligence arti­fi­cielle embar­qués. Ces concen­trés de tech­no­lo­gies sont par­ti­cu­liè­re­ment adap­tés pour équi­per les voiles solaires de pro­chaine géné­ra­tion, actuel­le­ment déjà en préparation.

Les voiles elles-mêmes sont sujettes à d’intenses recherches pour opti­mi­ser la manière dont elles inter­agissent avec la lumière. La NASA déve­loppe, par exemple, une voile solaire dite « dif­frac­tive ». Ce pro­jet, Dif­frac­tive Solar Sai­ling, uti­lise de petits réseaux optiques inté­grés dans les films minces de la voile pour uti­li­ser plus effi­ca­ce­ment la lumière du Soleil, sans sacri­fier la mania­bi­li­té de l’engin.

Rap­pe­lons enfin que le pay­sage spa­tial est le lieu d’intenses et pro­fondes modi­fi­ca­tions depuis quelques années. L’évolution des tech­niques et la baisse du coût d’accès à l’espace per­mettent aujourd’hui à de jeunes star­tups de tes­ter et com­mer­cia­li­ser des pro­cé­dés et ser­vices inno­vants liés à l’espace. On appelle cette nou­velle dyna­mique le « New Space ».

L’une de ces star­tups fran­çaises, Gama Space, a récem­ment levé 2 mil­lions de dol­lars auprès du CNES (Centre Natio­nal d’Études Spa­tiales) pour déve­lop­per une petite voile solaire de 72 m², 50 fois plus mince qu’un che­veu, qui devrait ser­vir, dans un pre­mier temps, de pro­pul­seur pour un petit satel­lite de 11 kg lan­cé en octobre 2022. Bien sûr, l’objectif n’est pas de se limi­ter à l’orbite ter­restre, et Thi­baud Elzière, son fon­da­teur, pense déjà à un moyen de diri­ger de futures sondes d’exploration dans tout le Sys­tème solaire…

La der­nière limi­ta­tion inhé­rente à la tech­nique des voiles solaires est, bien sûr, la quan­ti­té de pho­tons qui « poussent » le vais­seau. Et plus cette voile est loin du Soleil, plus cette quan­ti­té dimi­nue rapi­de­ment, jusqu’à n’avoir qua­si­ment plus d’effet sur l’engin.

Pour résoudre ce pro­blème et envi­sa­ger l’exploration spa­tiale en dehors de notre Sys­tème solaire, le pro­jet Star­Shot pré­voit de construire un mil­lier de petites voiles solaires ne pesant, cha­cune, pas plus d’un gramme. Et pour pou­voir rejoindre en un temps rai­son­nable Proxi­ma du Cen­taure, l’étoile la plus proche du Soleil, il est pré­vu de construire sur Terre un réseau de fais­ceaux laser de 100 Giga­watts, accé­lé­rant pro­gres­si­ve­ment ces petites voiles à 20 % de la vitesse de la lumière, ce qui leur per­met­trait de quit­ter le Sys­tème solaire d’ici 2030 et de sur­vo­ler Proxi­ma Cen­tau­ri vers 2060.

Aurons-nous, d’ici la fin du siècle, des images détaillées d’un autre Soleil et des pla­nètes qui l’entourent ? Cela ne tient qu’à quelques pho­tons et un peu d’ingéniosité humaine…