Prospective spatiale
Historique de la propulsion photonique
© Olivier Boisard 2022
Nous fêtions en 2021 les 40 ans de l’U3P, « l’association des voiles solaires ». J’ai eu le plaisir de concevoir et mettre en ligne en 1997 le premier site web de l’association, à l’adresse www.u3p.net, et de l’administrer pendant près de vingt ans. Avant de passer la main à un nouveau webmaster en 2018, je me suis replongé dans les recherches documentaires pour rédiger cet article retraçant quatre siècles d’histoire de la propulsion photonique.
Observations
Alors qu’au XVIIe siècle le débat sur la nature et l’origine des comètes suscite de nombreuses spéculations, Kepler publie en 1619 De Cometis Libelli Tres, dans lequel il souligne le lien entre l’orientation de la lumière solaire et celle de la queue des comètes. Il estime que la matière des queues — ou barbes — des comètes est tirée de leur corps par les rayons du Soleil.
L’observation n’est pas nouvelle : l’astronome de Charles Quint Pierre Appien l’avait formulée au siècle précédent lors des passages de comètes intervenus entre 1531 et 1539. Kepler tente cependant d’établir un lien causal entre le phénomène et l’effet de la lumière.
Dans une lettre adressée en 1610 à Galilée, il évoque aussi la possibilité pour l’homme de voyager un jour dans le système solaire à bord de « navires et voiliers profitant des brises célestes ». Il est plus raisonnable d’y voir une métaphore qu’une véritable intuition de la propulsion photonique.
Les concepts nécessaires manquent encore pour démontrer l’existence d’une pression exercée par la lumière solaire. Descartes échafaude en 1644 une théorie complexe fondée sur un nouveau genre de réfraction. Newton, puis Voltaire et Émilie du Châtelet, réfuteront cette explication.
Formalisations
Il faut attendre les travaux théoriques de James Clerk Maxwell sur l’électromagnétisme, publiés en 1873, pour que le principe de la pression photonique soit formalisé : la lumière ne propage pas seulement de l’énergie, mais aussi une quantité de mouvement.
Le physicien russe Piotr Lebedev en apporte la démonstration expérimentale à Moscou. Il met en évidence l’effet de la pression lumineuse sur des corps solides en 1899, puis sur les corps gazeux en 1907. Aux États-Unis, G. F. Hull et Ernest Fox Nichols confirment ces expériences en 1903.
Konstantin Tsiolkovski envisage dès le début des années 1920 l’utilisation de cette pression comme mode de propulsion. Friedrich Tsander formalise en 1924 le concept de voile solaire et imagine de formidables miroirs constitués de feuilles extrêmement minces. Les ouvrages de Yakov Perelman diffusent cette idée, tandis qu’Hermann Oberth envisage en 1929 des miroirs solaires géants.
Richard Garwin publie en 1958 le premier article entièrement consacré à la propulsion photonique. En 1951 déjà, Carl Wiley, sous le pseudonyme de Russel Saunders, avait publié Clipper Ships of Space, souvent considéré comme la première approche technologique sérieuse des voiliers solaires. Ted Cotter proposera ensuite le concept de voile tournante.
Fictions
La propulsion photonique ne pouvant être aisément expérimentée à la surface de la Terre, elle nourrit très tôt la science-fiction. Dès 1865, dans De la Terre à la Lune, Jules Verne imagine que la lumière ou l’électricité puissent devenir les agents mécaniques de vitesses nouvelles. En 1889, H. de Graffigny et Georges Le Faure conçoivent un véhicule à mi-chemin entre le voilier et le miroir solaire.
L’évocation devient explicite avec Cordwainer Smith en 1960, puis avec Gérard Klein, sous le pseudonyme de Gilles d’Argyre, qui publie en 1961 Les Voiliers du Soleil. Jack Vance décrit en 1962 un voilier en route vers Mars dans Sail 25, illustré en couverture par Robert McCall.
The Wind From the Sun d’Arthur C. Clarke, publié d’abord sous le titre Sunjammer en 1963, met en scène avec réalisme une course entre la Terre et la Lune. La même année, Pierre Boulle ouvre La Planète des singes sur le voyage de plaisanciers interstellaires poussés par les radiations lumineuses. Poul Anderson propose à son tour en 1964 une description détaillée de ces navires.
À partir des années 1970, les voiles solaires deviennent un thème classique chez Larry Niven et Jerry Pournelle, George R. R. Martin et Lisa Tuttle, ou Robert Forward, qui imagine un immense voilier poussé par laser vers l’étoile de Barnard. En 1990, Project Solar Sail rassemble articles et nouvelles sous la direction d’Arthur C. Clarke et David Brin.
Missions
La pression de la lumière solaire est clairement mise en évidence en 1960 avec Echo 1, ballon passif en mylar de trente mètres lancé par la NASA. Dans les années 1970, les ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory exploitent la pression exercée sur les panneaux solaires de Mariner 10 pour prolonger sa mission autour de Mercure.
À la même époque, Jerome Wright propose un rendez-vous avec la comète de Halley grâce à une voile solaire. Le JPL, dirigé par Bruce Murray, engage en 1977 un projet piloté par Louis Friedman. Sa faisabilité est démontrée, mais la NASA renonce en raison du calendrier. Plusieurs ingénieurs poursuivront ces recherches au sein de la World Space Foundation.
En France, l’Union pour la promotion de la propulsion photonique est créée en 1981 pour organiser une course de la Terre à la Lune. D’autres projets à forte dimension symbolique suivent : Columbus 500, les structures gonflables ARSAT de Pierre Comte et l’Arche de Lumière de Jacques Rougerie.
Les techniques de déploiement progressent avec le miroir russe Znamya 2, ouvert depuis la station Mir en 1993, puis l’antenne gonflable Spartan testée en 1996. L’agence allemande DLR et la NASA travaillent sur Odissee, une voile carrée de quarante mètres. En France, Vigiwind étudie l’emploi d’une voile pour surveiller les éruptions solaires.
En 2005, la Planetary Society lance Cosmos 1, voile de huit pales triangulaires totalisant près de 600 m². Une panne du lanceur empêche la mission d’aboutir, mais le programme se poursuit avec LightSail.
Le 21 mai 2010, la JAXA lance Ikaros et déploie sa voile avec succès le 10 juin. Cette voile carrée en polyimide, d’un diamètre de vingt mètres, combine propulsion photonique et cellules solaires. Des bandes de cristaux liquides commandées électriquement assurent son contrôle d’attitude. Avec Ikaros, les voiles solaires entrent véritablement dans l’histoire de l’astronautique.