Prévue pour 2025, la mission Gama Beta va amener la voile solaire du constructeur français GameSpace au-delà de notre atmosphère. Utilisant les photons émis par le Soleil comme moyen de propulsion, cette voile, légère et économique, doit permettre d’explorer l’espace plus vite, plus loin et à moindre coût. Cette technologie repose sur une accélération continue et n’utilise pas de carburant.
L’idée d’un satellite propulsé par voile est aussi étrange qu’elle doit ravir les fans de sciences fiction. Car il est bon de le préciser : il n’y a aucun vent, d’aucune sorte, là-haut ! Celle-ci ne se repose donc pas dessus pour avancer. « Le fonctionnement d’une voile solaire repose sur les rayonnements lumineux d’une étoile, et, en l’occurrence, du Soleil », explique Francis Rocard, astrophysicien français responsable du programme d’exploration du système solaire au Centre national d’études spatiales (CNES) depuis 1989. « La lumière est une énergie, mais aussi une onde » explique Pierre Henriquet, docteur en physique nucléaire. « La lumière est la dualité des deux. Les photons sont à l’origine du transfert d’énergie à la matière qui permet l’avancée des voiles. »
Émis par le Soleil, les photons sont des particules qui se déplacent à grande vitesse – celle de la lumière, ce qui leur donne de la force lorsqu’ils percutent la voile solaire et rebondissent dessus. Un peu comme lorsque deux personnes se percutent dans la rue, se repoussant chacune d’un côté. Cette interaction entraîne une forme de rejet des deux éléments, qui se repoussent dans des directions opposées, propulsant la voile solaire vers son objectif. « La quantité de matière dans l’espace est réduite à quelques atomes par centimètre cube. En revanche, il est aussi rempli de photons. Au niveau de l’orbite terrestre, chaque mètre carré de surface reçoit 10²¹ (soit mille milliards de milliards) de photons chaque seconde ». De quoi avoir de nombreuses interactions entre la voile et les photons, qui se repoussent en continu !
Lors d’une mission spatiale, une grande quantité de carburant est utilisée pour sortir une fusée transportant le satellite de la gravité Terrestre. Celle-ci doit atteindre une vitesse de 40 320 km/h minimum pour s’arracher à l’attraction de la planète. A chaque lancement, Ariane 5 (la fusée d’Ariane Espace) consomme 650 tonnes d’ergol, un carburant uniquement utilisé dans l’aérospatial. Les scientifiques considèrent communément que l’espace commence à 120 km au-dessus du sol. À cela s’ajoute l’usage de faible quantité de carburant pour les manœuvres et changement d’orientation dans l’espace. Mais la voile solaire se basant sur la lumière du soleil, aucun carburant n’est nécessaire. Pour Alesia Herasimanka, doctorante en Mathématiques pour le contrôle, le transport et leurs applications à l’Université Côte d’Azur, il s’agit là de « la force du projet ». Il faut bien comprendre ce principe physique propre au vide spatial : une fois la première impulsion donnée, une sonde voyage entre les planètes et ne s’arrête pas. Elle maintient la vitesse atteinte. Il faut une nouvelle poussée dans le sens de la trajectoire pour accélérer ou dans le sens inverse pour ralentir ou s’arrêter. Dans le cadre de satellites ‘classiques’, une fois la vitesse souhaitée atteinte, les moteurs sont coupés afin d’économiser du carburant. Les satellites propulsés par voile solaire n’ont pas besoin de carburant : ils manoeuvrent grâce à la voile. De plus, étant très petit, une seule fusée peut en envoyer plusieurs dans l’espace, divisant la consommation du carburant par le nombre de satellites déplacés.
Les limites du projet
Les voiles solaires ne permettent cependant qu’une très faible accélération. Celle-ci est « négligeable, mais non nulle » précise Pierre Henriquet. À l’inverse d’un satellite utilisant un système de propulsion plus classique, la voile nécessite du temps pour atteindre la vitesse voulue. Il ne faut pas être pressé – au début, du moins. A proximité de la Terre, il « faudrait une voile de 100 000 m², soit 330 mètres de côté, pour obtenir une accélération de 1m/s ». Cette technologie solaire met donc un certain temps pour accélérer. Mais elle dépasse, à terme, la vitesse de croisière d’un satellite reposant sur d’autres moyens de propulsions. La vitesse de 90 km/s ( 324 000 km/h) est atteignable après un certain temps : de quoi faire en 8 ans le trajet parcouru en 46 ans par la sonde américaine Voyager 2, envoyée en 1977 !
La poussée étant induite par la lumière, « elle se réduit avec la distance au Soleil » jusqu’à devenir nulle, expliquent les deux scientifiques. Pierre Henriquet évoque la force obtenue, qui se divise par 4 lorsque la distance double. A comprendre que le facteur d’accélération – le gain de vitesse – sera moindre. Fort heureusement, comme il le précise, il n’y a « rien pour freiner la voile solaire une fois dans l’espace ». Sur Terre, les mouvements sont réduits par un phénomène de frottement entre l’objet (ou la personne qui se déplace) et l’atmosphère, et la gravité. La vitesse continue donc d’augmenter, mais moins significativement. Elle finit par être si réduite que l’on à simplement l’impression que le satellite maintient une vitesse de croisière donnée.
La faible poussée apporte cependant une autre limite : le poids et la dimension du satellite transportable, limité ici à quelques dizaines de kilogrammes. Adieu les missions habitées en direction de la Lune et de Mars. Adieu le transport de matériel lourd, pour l’installation sur ses deux corps célestes. « Malgré les belles paroles d’Elon Musk, nous en sommes de toutes façons, très loin », s’amuse Pierre Henriquet. La poussée dépend de la lumière, de la taille de la voile et du poids du satellite transporté. Une sonde plus lourde implique donc, au choix : une surface solaire plus grande (lors du test Gama Alpha de GamaSpace, une voile de 75 m² à déplacé 12 kg) ou une poussée moins importante et, in fine, une vitesse de croisière réduite.
Une dernière limite se pose : la capacité de la sonde à communiquer avec la Terre et à transférer les informations et données récoltées. Les ondes radios utilisées pour dialoguer entre deux points sont diffuses, c’est-à-dire qu’elles se déplacent non pas en ligne droite mais en cône. Si le point d’émission des ondes et leur point d’arrivée théorique sont les mêmes, en pratique, une partie seulement des ondes arrivent à l’endroit voulu. Le reste passe à côté. Les scientifiques doivent donc utiliser d’immenses paraboles en mesure de capter les reliquats de signaux. C’est pourquoi GamaSpace et de nombreuses équipes de scientifiques travaillent au développement de communication laser.
Dans l’oeil du laser
« On prévoit l’usage de lasers », raconte Louis de Goüyon Matignon, cofondateur et président de GamaSpace. Ces derniers permettent l’envoi de photons vers un point précis et peuvent régler bon nombre des limites actuelles. La diffusion réduite de la lumière permet de l’envoyer plus loin, avec une perte réduite. Les voiles deviennent alors des voiles photoniques – n’étant plus basées uniquement sur la lumière du Soleil. Voici une possible solution « miracle ». Mais « ses lasers ne sont que théoriques », précise le docteur en physique nucléaire, Pierre Henriquet. « Il faut de véritables champs, composés des plus puissants lasers que nous savons actuellement construire. Ces 10 km² de laser ont la consommation électrique théorique d’une ville. » Pas sûr que cela rentre au fond du jardin.
« Il faut aussi prendre en compte la rotation de la Terre », pointe le scientifique. Lorsqu’un satellite s’éloigne de la Terre, celle-ci continue à tourner sur elle-même. En regardant notre belle planète bleue depuis la voile photonique, on voit donc l’Amérique, puis l’Europe et l’Afrique suivit par l’Asie avant de voir, de nouveau, l’Amérique. Mais, lorsque les Etats-Unis ou la Chine sont visibles, un parc de lasers construit en Europe n’est pas utilisable car mal orienté. On peut y remédier de deux façons. En allumant et en utilisant par intermittence des lasers orientés comme nous le souhaitons, lorsque l’Europe est dans le dos du satellite. Ou en construisant des lasers pensés de façon à obtenir un rayon continue à destination de la sonde et installé à différents endroits sur Terre. Louis Goüyon de Matignon, de son côté, à prévu une autre solution : mettre les lasers directement en orbite, entre la Terre et la voile photonique.
Outre la puissance et les calculs nécessaires, ses champs de laser ont un coût phénoménal, selon Francis Rocard. « Les voiles solaires sont normalement peu cher. Le laser réduit cet avantage à néant », précise-t-il. Le coût vient de la consommation énergétique, qui nécessite actuellement la construction d’une centrale nucléaire, selon Pierre Henriquet. S’ajoutent les dépenses liées à l’électricité, à l’entretien du matériel et aux salaires. StarShot, autre mission basée sur des voiles, prévoit d’atteindre 20% de la vitesse de la lumière en quelques minutes. Il est donc possible d’éteindre les lasers au sol pour le reste du voyage.
De nombreuses recherches dans le domaine sont en cours. Les scientifiques gardent l’espoir d’une avancée pour réduire le coût, augmenter l’efficacité et diminuer la consommation d’énergie. L’usage de radio laser, qui dépend des recherches dans le domaine, à de nombreuses vertus potentielles : faciliter l’envoi et la réception des messages par les ondes, accélérer le transfert… Mais avec ou sans lasers, il reste possible de propulser une armada de petits satellites, aussi appelés nanosatellites, et leur voile solaire dans l’espace.
Une armada aux quatre vents
Le projet des scientifiques, aussi fou puissent-ils paraître, est d’envoyer dans l’espace plusieurs de ses nanosatellites, en grand nombre, lors d’un décollage de fusée. Une fois cette dernière en orbite autour de la Terre, les sondes sont larguées. Les voiles solaires se déploient pour les propulser aux quatres vents, en direction de Jupiter et des confins du système stellaire ou vers le centre du notre système planétaire. « Les voiles solaires peuvent effectuer des changements d’orbites ou utiliser la gravité – d’une planète ou du Soleil – pour gagner en vitesse et se propulser », précise Alesia Herasimenka. Ces manœuvres, utilisées par une grande majorité de satellites – qui se déplacent rarement en ligne droite vers leur objectif – permettent aux voiles solaires d’atteindre les moindres recoins du système solaire pour une exploration de celui-ci.
« Avec leur petite taille et leur poids, on peut imaginer envoyer une armada de nanosatellites. Les sondes seraient utilisées pour des reconnaissances avant des missions avec des satellites plus ‘classiques’, mais aussi plus lourds, plus volumineux et plus cher », explique Pierre Henriquet. Ils peuvent aussi « embarquer de l’imagerie et un spectrographe » afin de récolter les données préliminaires. Ils peuvent repérer des ressources rares sur Terre pour une exploitation directement sur les corps célestes. Une sorte de satellite éclaireur qui permet des économies de carburant, de lancement inutiles et d’argent.
Le constructeur français prévoit de faire son deuxième test de voile solaire, Gama Beta prochainement. Grande de 100m², elle déplace un satellite de 60 cm par 40 par 20, deux fois plus grand que l’ancien modèle et qu’une boîte de chaussures. Ils espèrent, eux aussi, atteindre 20% de la vitesse de la lumière grâce à aux lasers placés en orbite. De quoi atteindre la planète Mars, pour des missions d’exploration, en moins de 2 mois. Par comparaison, le voyage actuel prend 9 mois environ. Il faut aussi attendre une fenêtre de tir propice qui n’arrive qu’une fois tous les 26 mois, lorsque la planète rouge est au plus près de la Terre.
Le vol test à venir sera suivi par l’envoie d’une première flottille de nanosatellites pour une première exploration de l’espace profond prévue en 2025. En 2030, une voile doit partir à destination du Nuage d’Oort (un amas d’astéroïdes qui entoure le système solaire) au-delà de la ceinture de Kuiper et dans les confins du système solaire. Ses missions ont pour but d’accélérer l’exploration du système stellaire et de la galaxie, dans l’optique de mieux comprendre l’Univers dans lequel nous vivons.
Benoit Dupuis-Tordjeman : Photographie et journalisme 