Exploration spatiale | Des voiles dans l’espace
L’image semble tout droit tirée d’une série animée de science-fiction : un vaisseau spatial propulsé par d’immenses voiles. Mais il s’agit bel et bien d’une technologie d’avenir qui pourrait mener des sondes dans d’autres systèmes solaires. À plus courte échelle, une course entre la Terre et la Lune est au menu.
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Surveiller le Soleil
La NASA prévoit installer en 2029 ou 2030 la plus grande voile solaire de l’histoire. À 1600 mètres carrés, elle sera plus de 15 fois plus grande que ses prédécesseures. L’idée : la déployer à 1,5 million de kilomètres de la Terre et à 147 millions de kilomètres du Soleil.
Ce point dans l’espace n’a pas été choisi au hasard : à cet endroit, les sondes spatiales sont en équilibre gravitationnel entre la force d’attraction des deux corps célestes.
« C’est une preuve de concept, mais c’est aussi la première voile solaire capable de faire de la science », dit Les Johnson, un ancien directeur technologique qui est consultant pour la mission. La « voile solaire sentinelle des tempêtes solaires », ou S5, permettra de donner de 15 à 20 minutes d’avertissement avant une tempête solaire qui pourrait endommager des systèmes terrestres.
IMAGE TIRÉE DU SITE DE LA NASA
Test de déploiement au sol de la voile solaire NEA Scout
« Ce sera la première voile solaire opérationnelle qui aura des mâts en composite plutôt qu’en métal », ajoute M. Johnson, qui a été responsable d’une mission similaire nommée NEA Scout, en 2022.
L’a b c des voiles solaires
Sur la mer, les voiliers utilisent la force du vent. Dans l’espace, les voiles solaires utilisent la force des photons émis par le Soleil. « C’est une propulsion faible mais constante, qui est très bonne pour rester sur place à un point d’équilibre gravitationnel Terre-Soleil », explique M. Johnson.
Les voiles sont généralement quatre triangles identiques et les manœuvres sont faites en déplaçant la sonde par rapport aux voiles.
Il est aussi possible de leur donner une accélération supplémentaire en y pointant un laser, selon Debdut Sengupta, qui a publié une étude sur les voiles solaires en février dans la revue Acta Astronautica.
IMAGE TIRÉE DU SITE DE LA NASA
Illustration de la voile solaire ACS3
Vers Alpha du Centaure
Les voiles solaires seront cruciales pour explorer d’autres systèmes solaires. « C’est la seule manière d’atteindre une vitesse suffisante pour y arriver en des temps raisonnables », dit M. Sengupta.
L’un de ces projets est soutenu par les « Initiatives Breakthrough », lancées par Yuri Milner, un milliardaire techno israélien. Le « Breakthrough Starshot » vise à atteindre une planète du système solaire d’Alpha du Centaure, distant de 4,3 années-lumière.
« Le Starshot est très réaliste quant aux améliorations qu’il faudra dans la technologie », affirme M. Sengupta, physicien du Collège impérial de Londres (ICL). « Il va falloir une résistance beaucoup plus forte des matériaux de la voile solaire à la chaleur, parce qu’il faudra prendre son élan en passant près du Soleil avant de viser un système extrasolaire. »
Les Johnson fait souvent des présentations sur des sondes extrasolaires à voiles solaires. « La technologie ne sera pas prête avant plusieurs décennies », prévient-il.
Il faudra réduire le poids des voiles solaires par un facteur de 10 et augmenter de 10 à 100 fois la capacité des lasers orbitaux qui les propulseront, selon M. Johnson. « Il faudra envoyer plus d’énergie que le Soleil, avec des lasers orbitaux », illustre-t-il.
Serait-il possible d’avoir de petits lasers largables à bord des sondes extrasolaires qui pourraient faire des corrections de trajectoire au besoin ? « C’est une belle idée en théorie, mais à moins que la technologie change radicalement, l’augmentation de poids n’en vaudra pas la peine », tranche M. Johnson.
M. Sengupta pense qu’une sonde extrasolaire munie d’une voile aurait un budget semblable à celui des télescopes spatiaux actuels. Le Nancy Grace Roman a un budget d’un peu plus de 4 milliards US, et le James Webb, de 10 milliards US.
Six tests
Le concept de voiles solaires a été testé en orbite terrestre à six reprises. La première a été la sonde japonaise Ikaros en 2010, suivie par la sonde NanoSail de la NASA et deux sondes de la Société planétaire, en 2015 et 2019. La NASA a aussi testé NEA Scout et la Voile solaire avancée en composite (ACS3) plus récemment. La première n’a pas pu être déployée, mais ACS3 a été un succès.
IMAGE TIRÉE DU SITE DE LA NASA
Test de déploiement de la voile ACS3 au sol
« Au fil des tests, on améliore le concept, dit M. Johnson. Avec ACS3 on a élaboré les matériaux composites pour les mâts, et avec S5 on va avoir un processus de fabrication des voiles semi-automatisé qui est plus uniforme et plus résistant. Avec NEA Scout on fabriquait les voiles à la main. » Les voiles solaires sont maintenant fabriquées par un système laser de la société américaine Applied Aerospace.
Regardez le test de déploiement au sol d’une voile solaire de la NASA
Les projets étudiants
La première voile solaire étudiante a volé en 2017. Elle était produite par l’Université de Surrey, mais visait avant tout le freinage atmosphérique pour un désorbitage, tout en accumulant des données sur la capacité propulsive des voiles solaires.
« Il y a plusieurs projets étudiants en ce moment, dit M. Johnson. Je suis actuellement consultant pour un projet étudiant de l’Université Texas A&M. Comme on est au stade de tester les prototypes, c’est un domaine idéal pour les étudiants. »
M. Sengupta a aussi travaillé sur un projet étudiant, le projet Svarog d’ICL. « Notre objectif est d’envoyer une voile solaire qui va sortir du système solaire d’ici un siècle, révèle Debdut Sengupta. C’est plus lent que les sondes Voyager, mais ça nous permettrait de démontrer la faisabilité d’un voyage extrasolaire. »
Le projet Svarog aurait une superficie de seulement 100 m2.
La course vers la Lune
Un programme privé de démonstrations de technologies a un objectif plus prosaïque : une version Terre-Lune de la course de voiliers America’s Cup.
« Pour les deux prochaines années, la Space Cup sera une compétition virtuelle de voiles solaires », explique Les Johnson, qui est consultant pour le projet. « Mais à terme, on vise une course Terre-Lune. »
Après la compétition de modèles virtuels de voiles solaires, Space Cup va organiser une compétition en orbite terrestre, où les participants devront manœuvrer leur voile puis procéder au désorbitage le plus rapidement. « C’est seulement après qu’on arrivera à une course Terre-Lune, potentiellement à l’horizon 2030. L’objectif est d’améliorer les interfaces de contrôle des voiles solaires. »
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