Voir la source de Voile solaire

[[Fichier:Cosmos 1 solar sail.jpg|framed|La voile solaire [[Cosmos 1]]]]

Une '''voile solaire''', aussi appelée '''voilier solaire''' ou '''photovoile,''' est un dispositif de [[propulsion]] utilisant la [[pression de rayonnement]] émise par les [[étoile]]s pour se déplacer dans l'[[Espace (cosmologie)|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 terrestre|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]]. Plusieurs prototypes de petite taille, destinés à mettre au point les systèmes de déploiement et de contrôle d'orientation particulièrement délicats, ont été placés en orbite ou sont en cours de développement : [[IKAROS]] ({{unité|173|m|2}}) de l'agence spatiale japonaise ([[JAXA]]), lancée en 2010, ou [[Sunjammer]], voile solaire de {{unité|1200|m|2}} dont le développement a été arrêté par la NASA en 2014.

== Principe général ==

La voile solaire est propulsée par la pression produite par les [[photon]]s 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 « 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 [[Gravitation|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 <math>m \mathbf{v}</math>. 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 [[Loi de conservation|conservation]], l'absorption de la particule par une cible engendre un recul de celle-ci selon la formule :

<math>p = \frac{h \nu}{c} = \frac{h}{\lambda}</math>

avec
:<math>p</math> : norme du vecteur [[quantité de mouvement]] (en {{unité||kg||m||s|-1}})
:<math>h</math> : [[constante de Planck]] : {{unité|6.63|e=-34|J||s}}
:<math>\nu</math> : [[fréquence]] (en hertz)
:<math>c</math> : [[vitesse de la lumière]] : {{unité|3|e=8|m||s|-1}}
:<math>\lambda</math> : [[longueur d'onde]] (en mètre)

Si la particule est réfléchie et non absorbée, elle transmettra le double de son impulsion.

Pour simplifier les calculs, supposons que le [[Soleil]] n'émette pas un panachage de longueurs d'onde, mais juste une longueur d'onde de 0,5 μm.
* L'impulsion de chaque photon sera donc voisine de {{unité|1|e=-27|kg||m||s|-1}},
* et son énergie E{{ind|p}} = {{unité|3.96|e=-19|J}}, soit {{unité|2.5|eV}}.

[[Fichier:Ssunsail.jpg|thumb|Vue d'artiste d'une voile solaire]]

==== Usage macroscopique ====

Le [[Soleil]] émet une puissance totale E{{ind|s}} = {{unité|3.9|e=26|W}}. Cela représente E{{ind|s}}/E{{ind|p}} = 10{{exp|45}} photons par seconde.

Sur orbite terrestre, ces photons se répartissent sur une sphère de 150 millions de kilomètres de rayon, soit une surface de {{unité|2.8|e=23|m|2}}.

Cela représente une densité de 10{{exp|45}} / ({{unité|2.8|e=23}}), soit {{unité|3.57|e=21|photons||s|-1|m|-2}}.

On multiplie par le double de l'impulsion de chacun pour obtenir l'impulsion maximale que peut recueillir {{unité|1|m|2}} de voile solaire sur orbite terrestre, soit {{unité|9.4|e=-6|kg||m||s|-1|m|-2}}.

Pour accélérer {{unité|1|kg}} d'{{unité|1|m/s|2}}, il faut donc au minimum une surface de {{unité|106383|m|2}}, soit un carré de 326 m × {{unité|326|m}}, la masse de cette voile étant à déduire pour obtenir la charge utile. Une voile de cette taille utilisant moins d'{{unité|1|kg}} de matière 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<ref>{{Lien web | langue = en | url= http://www.swpc.noaa.gov/products/ace-real-time-solar-wind | éditeur= NOAA  | titre= Ace Real Time Solar Wind| auteur= [[Space Weather Prediction Center]]| consulté le= 28 avril 2016}}.</ref>:

Vitesse des particules : environ {{unité|500|km/s}} = {{unité|5|e=5|m/s}}.

Densité : environ 10 particules par centimètre cube, soit 10{{7}} particules par mètre cube.

En une seconde et sur {{unité|1|m|2}}, il arrive donc N = 5 × 10{{5}} × 10{{7}} = 5 × 10{{12}} particules.

La composition est variable, mais contient essentiellement des électrons et des atomes d'hydrogène ionisé (c’est-à-dire des [[proton]]s). La masse de chaque particule peut être estimée à : m = {{unité|2|e=-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 = {{unité|2|m||v}} = {{unité|2|e=-21|kg||m||s|-1}}.

L'accélération subie par {{unité|1|m|2}} est donc : a = N × p / 1 s = 10{{exp|-8}} m/s{{2}}.

Tout ceci est une estimation haute. Si on compare à la pression radiative trouvée précédemment (soit 5×10{{exp|-6}}), le vent solaire ne contribue au mieux qu'à 0,2 % du total. Et, en fait, si on tient 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 bout du compte 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 ===

[[Fichier:Solarsail msfc.jpg|thumb|300px|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 {{unité|110000|m|2}} est nécessaire pour obtenir une poussée d'{{unité|1|kg|4=m/s|5=2}}). La difficulté va être alors de transporter cette voile lors des mises en orbite de ces engins, de la déployer et de la diriger dans le vide spatial.

Différentes formes de voiles existent :
* 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 faciles 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 [[kapton]] de seulement quelques [[micromètres]] d'épaisseur.

== Réalisations ==

Plusieurs voiles solaires ont été lancées dans l'espace ou sont à l'étude ou en cours de développement. Il s'agit de prototypes destinés à mettre au point les différents systèmes spécifiques à ce type de propulsion en particulier le déploiement de la voile et l'orientation de la poussée. [[IKAROS]] est une voile solaire développée par l'agence spatiale japonaise, la [[JAXA]], lancée en 2010 et toujours opérationnelle en 2014. Sa superficie de 173 m² lui permet un [[Delta-V|changement de vitesse]] maximal de 12 m/s au bout d'un mois. D'une masse totale de 315 kg dont 2 kg pour la voile solaire, elle circule sur une [[orbite héliocentrique]] de 10 mois. [[NanoSail-D2]] est une petite voile solaire de 10 m² réalisée pour la [[NASA]] et qui a été lancée en 2011. La suite de ce projet est [[Sunjammer]], une voile solaire de 1200 m², qui devait être lancée en 2015 mais dont le développement a été arrêté en 2014. Enfin LightSail-1 est une voile solaire de 32 m² développée par la [[Planetary Society]] et dont le lancement est planifié en 2016.

{| class="wikitable alternance centre"
|+Projets et réalisations de voiles solaire
|-
! scope=col | Désignation
! scope=col | Concepteur
! scope=col | Date lancement
! scope=col | Statut
! scope=col | Superficie voile
! scope=col | Matériau
! scope=col | Masse dont voile
! scope=col | Poussée
! scope=col | Système d'orientation
! scope=col | Orbite
! scope=col | Commentaire
|-
|  [[IKAROS]] ||  [[JAXA]] || 2010  || opérationnel || align="center"| 173 m²  || [[polyimide]] de 7,5 μm d'épaisseur   || align="center"| 315 kg / 15 kg || align="center"| 1,6 millinewton ||  [[Écran à cristaux liquides]] || [[orbite héliocentrique]] ||
|-
|  [[NanoSail-D2]] ||  [[NASA]] || 2011  || mission achevée || align="center"| 10 m²  || CP1 de 7,5 μm d'épaisseur   || align="center"| 4 kg / ? kg || align="center"| ? millinewton ||  ? || [[orbite basse]] ||
|-
|  [[Sunjammer]] ||  [[NASA]] || align="center"|- || projet abandonné || align="center"| 1200 m²  || [[kapton]] de 5 μm d'épaisseur   || align="center"| ? kg / 32 kg || align="center"| 10 millinewton ||  portions de voile solaire orientables || {{Pla|1|lien|txt=U}} ||
|-
|  [[LightSail-1]] ||  [[Planetary Society]] || 2016  || mission achevée || align="center"| 32 m²  || [[mylar]]   || align="center"| 4 kg / ? kg || align="center"| ? millinewtons ||   || [[orbite basse]] ||
|-
|  [[LightSail-2]] ||  [[Planetary Society]] || {{date-|25 juin 2019}}  || déployée dans l’espace || align="center"| 32 m²  || [[mylar]]   || align="center"| ? || align="center"| ? millinewtons ||   || [[orbite basse]] ||
|}

== Historique ==

* [[1616 en science|1616]] : Effets de la lumière sur les trajectoires des corps célestes observés par [[Johannes Kepler]] à partir de l'orientation des queues des comètes à l'opposé du Soleil.
* [[1873 en science|1873]] : Travaux de [[James Clerk Maxwell]] sur l'électromagnétisme permettant d'expliquer ce phénomène.
* [[1889 en science|1889]] : Faure et Graffigny, romanciers français de science-fiction, imaginent un vaisseau spatial utilisant un immense miroir pour recueillir la pression de la lumière solaire.
* [[1901 en science|1901]] : [[Pyotr Lebedev]] met en évidence la [[pression de radiation|pression des radiations]]<ref>{{Ouvrage|langue = Allemand|auteur1 = Lebedev P.N|titre = Untersuchungen ̈uber die druckr ̈afte des lichtes|éditeur = |année = 1901|isbn = |lire en ligne = |passage = 6 :433–458}}</ref>.{{comment}} {{refnec}}
* [[1915 en science|1915]] : Travaux de [[Yakov Perelman]] en [[Russie]]. {{refsou}}
* [[1921 en science|1921]] : Évocation, par [[Constantin Tsiolkovski]] de l'utilisation de la pression de la lumière solaire pour voyager dans l'espace<ref>"Le concept d'utilisation, pour la propulsion dans l'espace, de la pression photonique due à la lumière du Soleil a été envisagé depuis Tsiolkovsky en 1921." THE PHYSICS OF SOLAR SAILS, NASA FACULTY FELLOWSHIP PROGRAM, MARSHALL SPACE FLIGHT CENTER, THE UNIVERSITY OF ALABAMA, 2002 [https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20030093608/downloads/20030093608.pdf?attachment=true] </ref>.
* [[1924 en science|1924]] : Les travaux de [[Friedrich Tsander]], en [[URSS]], énoncent l'idée d'utiliser des miroirs pour les vols dans l’espace interplanétaire : {{citation|pour les vols dans l'espace interplanétaire, je travaille sur l'idée d'utiliser de formidables miroirs faits de feuilles extrêmement minces et capables d'obtenir des résultats intéressants}}<ref>"Plus précisement, Tsiolkovsky et Tsander ont parlé de « l'utilisation d'énormes miroirs constitués de feuilles très fines » et de « l'utilisation de la pression de la lumière solaire pour atteindre des vitesses cosmiques » en 1924." THE PHYSICS OF SOLAR SAILS, NASA FACULTY FELLOWSHIP PROGRAM, MARSHALL SPACE FLIGHT CENTER, THE UNIVERSITY OF ALABAMA, 2002 [https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20030093608/downloads/20030093608.pdf?attachment=true]</ref>.
* [[1955 en science|1955]] : [[Hermann Oberth]] développe le concept de ''miroir de l'espace'' servant à capter les rayonnements solaires.
* [[1955 en science|1955]]-[[1966 en science|1966]] : [[Cordwainer Smith]]  développe le principe de la voile solaire dans ses romans et nouvelles constituant [[les Seigneurs de l'Instrumentalité]].
* [[1958 en science|1958]] : Invention de l'expression « Voilier Solaire » par [[Richard Garwin]], dans le numéro de mars de ''[[Jet Propulsion]]''. {{refsou}}<ref>{{Article|langue=anglais|auteur1=Richard Garwin|titre=Solar Sailing: A Practical Method of Propulsion within the Solar System|périodique=Jet Propulsion|volume=28|date=Mars 1958|issn=0095-8751|lire en ligne=|pages=188-190}}</ref>
* [[1970 en science|1970]] : L’effet de la pression solaire est utilisé pour l’orientation de la sonde [[Mariner 10]] durant son vol vers [[Mercure (planète)|Mercure]].
* [[1973 en science|1973]] : La [[NASA]] et l’[[Agence spatiale européenne|ESA]] engagent des travaux sur les voiliers solaires afin de rejoindre la [[comète de Halley]] en [[1986]] (le projet est abandonné en [[1977]] car la mise au point de cette technologie est trop lente).
* [[1981 en science|1981]] : Création en France de l'U3P, l'[[Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique]], association qui lance le projet d'une course Terre-Lune de voiliers solaires inhabités. Le projet est rejoint par des associations japonaises, étatsunienne, espagnole, ainsi que par l'[[International Astronautical Federation]], qui propose d'arbitrer la course<ref>[http://u3p.net/wp-content/uploads/2019/08/Les-voiles-solaires-U3P_16pages.pdf]</ref>. En 2023, la course n'a pas encore eu lieu.
* [[2005 en science|2005]] : {{date-|21 juin}}, lancement de [[Cosmos 1]], le premier engin spatial à voile solaire : c'est un échec lors de la mise en orbite.
* [[2007 en science|2007]] : Le [[Japon]] envisage une sonde propulsée par la voile solaire [[IKAROS]], et étudie avec l'[[ISAS]], qui a lancé un appel a propositions, le matériel scientifique qui pourrait être emporté par cette sonde, qui devrait être lancée par la fusée japonaise [[H-IIA]]  avec le satellite [[PLANET-C]]<ref>{{ja}} [http://www.stp.isas.jaxa.jp/venus/index.html Page sur le projet Plantet-C]</ref> qui doit explorer [[Vénus (planète)|Vénus]] (lancement prévu en 2010).
* [[2008 en science|2008]] : Échec du lancement de [[Nanosail-D]] le {{date-|3 août}}.
* [[2010 en science|2010]] : Lancement réussi le [[20 mai]] d'[[IKAROS]], et le {{date-|20 novembre}} du micro-satellite [[FASTSAT]] incluant la voile solaire [[Nanosail-D2]].
* [[2011 en science|2011]] : Déploiement réussi de [[Nanosail-D2]] le {{date-|20 janvier}}.
* [[2024]] : Lancement réussi le 23 avril de la voile solaire de 80 m² [[Advanced Composite Solar Sail System]] (ACS3) de la [[NASA]], déployée le 29 août 2024<ref>{{Lien web|titre=Une voile géante visible depuis la Terre : la NASA réussit un test qui pourrait révolutionner l'exploration spatiale|url=https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronautique-voile-geante-visible-depuis-terre-nasa-reussit-test-pourrait-revolutionner-exploration-spatiale-115826/|site=Futura|date=2024-09-06|consulté le=2024-09-09}}</ref>.

== Dans la fiction ==
La voile solaire est un thème de [[science-fiction]] :

* ''Les sondeurs vivent en vain'' (1950), nouvelle du cycle ''[[Les Seigneurs de l'Instrumentalité]]'', de [[Cordwainer Smith]]
* ''[[Les Voiliers du soleil]]'' (1961), roman de [[Gérard Klein (écrivain)|Gérard Klein]]
* ''[[La Planète des singes]]'' (1963), [[Pierre Boulle]].
* ''[[La Poussière dans l'œil de Dieu]]'' (1974), roman de [[Larry Niven]] et [[Jerry Pournelle]]
* ''[[Le Vol de la Libellule]]'' (1984) (1986 pour la traduction française), roman de [[Robert Forward]]
* ''[[Star Trek: Deep Space Nine]], épisode "Explorers" (épisode 22 de la saison 3). Les « vaisseaux-lumières » utilisent la lumière d'une étoile et des voiles spécialement construites pour les propulser dans l'espace.
* ''[[Star Wars, épisode II : L'Attaque des clones]]'' (2002) : le vaisseau personnel du [[Comte Dooku]] est équipé d'une voile solaire.
* ''[[Le Papillon des étoiles]]'' (2006), roman de [[Bernard Werber]]
* ''[[Alien: Covenant]]'' (2017), film de [[Ridley Scott]]
* [[Cosmos: Possible Worlds]] (2020), série télévisée documentaire américaine animée par [[Neil deGrasse Tyson]]
* [[For All Mankind (série télévisée)]] (2019), épisode "Happy Valley" (épisode 4 - saison 3). En direction de Mars en 1995, dans l'[[uchronie]] de [[For All Mankind (série télévisée)]], le vaisseau de la NASA "Sojourner 1" déploie sa voile solaire dans le but d'arriver sur [[Mars (planète)]] avant l'Union Soviétique et Hélios.
* [[Star Trek: Strange New Worlds]], épisode "Spock Amok" (épisode 5 de la saison 1). Les Rongoviens viennent négocier avec leur vaisseaux amiral à voile solaire d'apparat.

== Notes et références ==
{{Références}}

== Voir aussi ==

{{Autres projets
 | wiktionary         = voile solaire
 | wiktionary titre   = Voile solaire
}}

=== Articles connexes ===
* [[IKAROS]], voile solaire opérationnelle développée par l'agence spatiale japonaise
* [[Sunjammer]], voile solaire développée par la NASA et lancée en 2015 
* [[Voile magnétique]]
* [[Énergie solaire]]
* [[Diffractive Solar Sail]], projet de voile solaire à diffraction

=== Liens externes ===
* [https://www.franceculture.fr/emissions/la-methode-scientifique/voiles-solaires-lespace-prend-le-large "Voiles solaires, l’espace prend le large", ''La Méthode scientifique'', France Culture, 17 septembre 2019]
* [http://www.nasa.gov/mov/64282main_LGARDE_DEPLOY.mov Animation d'une voile solaire, sur le site de la NASA (format QuickTime)]
* [http://www.outilssolaires.com/Glossaire/pop-cosmos.htm La voile solaire : Cosmos-1]
* [http://www.u3p.net U3P (Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique : course Terre-Lune, voile Libellule-Dragonfly, actualité…)]

{{Palette|Propulsion spatiale|Moteur à réaction}}
{{Portail|astronautique|astronomie|physique|SF}}

[[Catégorie:Voile solaire|*]]
[[Catégorie:Concept de la science-fiction]]
[[Catégorie:Technologie hyperfréquences]]