Voile solaire - Définition

Introduction

La voile solaire Cosmos 1

Une voile solaire ou photovoile est un dispositif de propulsion utilisant la pression de radiation émise par les étoiles pour se déplacer dans l'espace à la manière d'un voilier.

Compte tenu de la faible propulsion générée, le procédé ne permet pas de quitter la surface d'une planète (même dénuée d'atmosphère, et donc de friction). Il est en revanche utilisable sur un appareil ayant déjà atteint la Vitesse de satellisation minimale, voire la vitesse de libération.

Principe général

La voile solaire est propulsée par la pression produite par les photons qui viennent la percuter. Plus la voile est grande et réfléchissante, plus grande est la force de propulsion. On peut alors en inclinant la voile ou en agissant sur sa voilure, modifier la surface offerte à la lumière et ainsi doser l'équilibre des forces pour ainsi « piloter » la voile. À la manière d'un bateau à voile, utilisant la force de l'eau et du vent, un engin spatial à voile solaire, peut utiliser la force gravitationnelle et la force de poussée photonique pour naviguer dans l'espace.

Le principal intérêt réside dans l'absence de carburant pour un véhicule muni d'un tel dispositif. Cela permet d'envisager une très grande autonomie de déplacement dans le système solaire.

Action de la pression de radiation sur la voile solaire

Impulsion d'un photon « moyen »

Un corps massif animé d'une vitesse par rapport à un repère possède dans celui-ci une quantité de mouvement qui est le produit . Une particule sans masse (comme un photon) possède une caractéristique s'exprimant dans la même unité et qui se nomme l'« impulsion » : le rapport de son énergie sur sa célérité.

Pour des raisons de conservation, l'absorption de la particule par une cible engendre un recul de celle-ci selon la formule :

avec

h : constante de Planck 6,6e-34 J.s

ν : fréquence (en hertz)

c : la vitesse de la lumière 3e8 m.s^-1

λ : la longueur d'onde (en m)

Pour simplifier les calculs, supposons que le Soleil n'émette pas un panachage de longueurs d'ondes, mais juste une de 0.5 µm.

• L'impulsion de chaque photon sera donc voisine de 10^-27 kg.m.s^-1
• et son énergie E_p = 3.96x10^-19 Joule, soit 2.5 eV.

Vue d'artiste d'une voile solaire

Usage macroscopique

Le Soleil émet une puissance totale de E_s = 3,9x10²⁶ W. Cela représente E_s/E_p = 10⁴⁵ photons par seconde.

Sur orbite terrestre, ces photons se répartissent sur une sphère de 150 millions de kilomètres de rayon, soit une surface de 3.10²³ m².

Cela représente une densité de 10⁴⁵/3.10²³ soit 3.10²¹photons/m².

On multiplie par l'impulsion de chacun pour obtenir l'impulsion maximale que peut recueillir 1 m² de voile solaire sur orbite terrestre, soit 5x10^-6 kg.m.s^-1 par m².

Pour accélérer 1 kg de 1 m.s^-2, il faut donc au minimum une surface de 120 113,5 m², soit un carré de 346 × 346 m, la masse de cette voile étant à déduire pour obtenir la charge utile. Une voile de cette taille utilisant moins d'1 kg se romprait immédiatement sur Terre sous n'importe quel courant d'air, mais ce problème n'existe évidemment pas à cette ampleur dans l'espace.

Importance du vent solaire

On peut aussi penser au vent solaire (flux de particules chargées électriquement, expédiées hors du Soleil) comme contribution au phénomène. Voici un petit calcul pour fixer les idées.

Les caractéristiques du vent solaire au niveau de la Terre sont:

Vitesse des particules environ 500 km/s = 5.10⁵ m/s

Densité environ 10 / cm³, soit par mètre cube : 10⁷ particules.

En une seconde et sur 1 m², il arrive donc N = 5.10⁵ x 10⁷ = 5.10¹² particules.

La composition est variable, mais contient essentiellement des électrons et des atomes d'hydrogène ionisé (c’est-à-dire des protons). La masse de chaque particule est donc à la louche : m = 2.10^-27 kg.

Si elles rebondissent complètement sur la voile, chacune va transmettre à la voile une impulsion égale au double de la sienne, soit p = 2 m.v = 2.10^-21 kg.m/s.

L'accélération subie par 1 m² est donc : a = N x p / 1 s = 10^-8 kg.m/s²

Tout ceci est une estimation haute. Si on compare à la pression radiative trouvée ci-dessus (soit 5.10^-6), le vent solaire ne contribue au mieux qu'à 0,2 % du total. Et en fait, si on tient du compte de la proportion d'électrons (la moitié du flux), plus les arrondis, plus la faible réflexion des ions, qui vont plutôt s'incruster dans la voile, on pourrait au moins diviser par 4 cet ordre de grandeur, soit au final une contribution de l'ordre de 0,05 %, autant dire négligeable.

Par contre, on peut envisager d'utiliser le champ magnétique créé par des particules chargées électriquement pour se propulser, à l'aide d'une voile magnétique.

Conception de voiles solaires

Étude de la NASA d'une voile solaire. La voile ferait 500 mètres de large.

On comprend dès lors que la surface offerte par la voile est une caractéristique primordiale dans les performances de ce moyen de propulsion (une voile de 220 000 m² est nécessaire pour obtenir une poussée de 1 kg.m.s^-1). La difficulté va être alors de transporter cette voile lors des mises en orbites de ces engins, de la déployer et de la diriger dans le vide spatial.

On trouve différentes formes de voiles :

• Les voiles carrées solides et faciles à diriger mais complexes à déployer et moins performantes car offrant moins de surface utile aux rayons solaires.
• Les voiles rondes déployées par mouvement de rotation sont plus faciles à transporter mais très complexes à diriger.
• Les voiles héliogyres constituées de pales fixées autour d'un axe central plus facile à déployer et à diriger mais moins rigides et donc plus fragiles.

La qualité de la voilure est aussi importante. Elle doit être solide et légère et avoir un pouvoir de réflexion de la lumière maximal. Lors de la conception d'un moyen de propulsion pour le futur satellite d'étude de la comète de Halley en 1973, la voile solaire était conçue en polymère de mylar et de polyimide (kapton) de seulement quelques micromètres d'épaisseur.