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…