Historique de la Propulsion Photonique

Des premières observations et hypothèses formulées par Kepler en 1619 au lancement d’Ikaros en 2010, l’histoire de la propulsion photonique couvre près de 4 siècles. Ce mode de propulsion, encore souvent perçu comme original ou atypique, s’appuie pourtant sur des principes par certains aspects plus intuitifs que ceux du moteur à réaction, et renvoie à l’image évocatrice de la navigation à voile. Sans doute est-ce la raison pour laquelle une histoire des voiles solaires, tout en étant étroitement associée à celle des sciences et des technologies, possède une dimension particulière où l’imaginaire et la fiction tiennent une place importante.

1 – Observations

Alors qu’au XVII^ème siècle le débat sur la nature et l’origine des comètes suscite de nombreuses spéculations, Kepler publie en 1619 De Cometis Libelli Tres (1), dans lequel il souligne le lien entre l’orientation de la lumière solaire et celle de la queue des comètes : « Donc, puisqu’il est évident que la queue des comètes est formée par les rayons du soleil, il est raisonnable de dire que la matière que les rayons du soleil tirent du corps de la comète est présente dans les queues – ou barbes – des comètes. Et quand le flux de matière a été localisé, la courbure de la queue peut se produire dans des directions diverses à partir de la ligne droite opposée au soleil. » De Cometis Libelli Tres, 1619 (cf. édition Frisch, VII, 110) (2).

En elle-même l’observation n’est pas nouvelle, l’astronome de Charles Quint Pierre Appien (3) l’ayant formulée pour la première fois au siècle précédent lors des passages de comètes intervenus entre 1531 et 1539 (4). Kepler tentera lui, au delà de ces observations, d’établir un lien causal entre le phénomène et l’effet de la lumière.

Quelques années plus tôt dans une lettre adressée en 1610 à Galilée – et bien qu’il soit plus raisonnable d’y voir une métaphore qu’une véritable intuition de la propulsion photonique – il évoque la possibilité pour l’homme de voyager un jour dans le système solaire à bord de « navires et voiliers profitant des brises célestes » (5).

Des concepts manquent cependant encore pour démontrer l’existence d’une pression exercée par la lumière solaire : Descartes lui-même en 1644 tente d’échafauder une théorie complexe pour expliquer la formation et l’orientation de la queue des comètes (6). Ses hypothèses en faveur d’une nature ondulatoire de la lumière d’une part, et de la nécessité pour toute force de résulter d’une action mécanique matérielle d’autre part, ne lui permettent pas de conclure à l’existence d’une pression de la lumière. Il attribuera le phénomène à l’effet d’«un nouveau genre de réfraction [qu’on ne] remarque point dans les corps terrestres » (7). Newton réfutera cette théorie, comme Voltaire et Emilie du Chatelet dans les Éléments de la philosophie de Newton publié en 1737 (8).

2 – Formalisations

Il faut attendre les travaux théoriques de Maxwell sur l’électromagnétisme, publiés en 1873 (9), pour que le principe la pression photonique soit formalisé, les équations de Maxwell démontrant que la lumière ne propage pas seulement de l’énergie, mais aussi une quantité de mouvement.

Le physicien russe Piotr Lebedev en fait la démonstration expérimentale dans les laboratoires de l’université d’état de Moscou. Il met en évidence l’effet de la pression de lumière sur des corps solides en 1899 – ces résultats faisant l’objet d’une annonce au congrès mondial de physique de Paris de 1900 – puis sur les corps gazeux en 1907. Ces expérimentations seront confirmées aux Etats-Unis en 1903 par les travaux de G.F Hull et Ernest Fox Nichols, de l’université de Dartmouth.

Konstantin Tsiolkovsky envisage dès le début des années 1920 l’utilisation de cette pression comme mode de propulsion. C’est à Friedrich Tsander – qui est en contact avec Tsiolkowsky – qu’on attribue généralement la première formalisation du concept de voile solaire en 1924 (10). Il évoquera, «pour les vols dans l’espace interplanétaire, […] l’idée d’utiliser de formidables miroirs faits de feuilles extrêmement minces [..] ».

Les ouvrages de vulgarisation scientifique de Yakov Perelman contribueront, à la même époque, à diffuser cette idée, notamment dans Le voyage interplanétaire, où il aborde – entre autres modes de propulsion – la propulsion photonique (11).

Autre pionnier de l’astronautique, Hermann Oberth évoque sinon les voiles solaires proprement dites, du moins la possibilité de construire des miroirs solaires géants dans Le voyage spatial ( Die Raumschiffahrt ) en 1929.

Richard Garwin – consultant auprès de l’armée américaine du Watson Laboratory IBM – publie en 1958 le premier article entièrement consacré à la propulsion photonique dans la revue scientifique Jet propulsion. Il y développe en particulier le principe d’une navigation sur une trajectoire en spirale en direction du soleil.

Mais c’est quelques années plus tôt, en 1951, que l’ingénieur américain Carl Wiley – sous le pseudonyme de Russel Saunders – publie dans la fameuse revue de science fiction Astounding Science Fiction l’article Clipper Ships of Space considéré par de nombreux auteurs (12) comme la première approche technologique sérieuse des voiliers solaires : « A fascinating suggestion for sailing ships of space, a seemingly wild notion, but actually worked out mathematically, it makes sense ! It would be possible to sail on the wind that blows between the worlds ».

D’autres développements suivent dans les années 50, en particulier ceux de Ted Cotter – scientifique des laboratoires de Los Alamos – qui proposera le concept de voile solaire tournante (spinning sail).

3 – Fictions

Faute de ne pouvoir être aisément mise en œuvre à la surface de la Terre – contrairement au moteur à réaction – les spéculations sur la propulsion photonique sont nombreuses dans la science-fiction, à travers des articles, romans ou nouvelles dont les auteurs sont parfois aussi des scientifiques signant sous pseudonyme.

Il ne s’agit probablement que d’une intuition, mais Jules Verne dès 1865 dans De la Terre à la Lune, au détour d’une réflexion sur les modes de propulsion spatiale, entrouvre la question : « Je vous demande s’il y a là de quoi s’extasier, et n’est-il pas évident que tout cela sera dépassé quelque jour par des vitesses plus grandes encore, dont la lumière ou l’électricité seront probablement les agents mécaniques? »

Avec un style naïf, H. de Graffigny et Georges Le Faure en 1889, dans Aventures extraordinaires d’un savant russe, conçoivent un véhicule imaginaire à mi-chemin entre le voilier et le miroir solaire.

L’évocation de voiliers solaires est plus explicite dans la nouvelle de Cordwainer Smith, The Lady Who Sailed The Soul, publiée dans Galaxy Magazine en 1960. Derrière ce pseudonyme se cache Paul M. A. Linebarger, un scientifique et officier du renseignement de l’armée américaine. Il reprendra l’idée en 1963, dans la nouvelle Think Blue, Count Two (Galaxy Magazine, février 1963, Volume 21, No. 3) : « Before the great ships whispered between the stars by means of planoforming, people had to fly from star to star with immense sails — huge films assorted in space on long, rigid, coldproof rigging. A small spaceboat provided room for a sailor to handle the sails, check the course, and watch the passengers who were sealed, like knots in immense threads, in their little adiabatic [temperature-constant] pods which trailed behind the ship. The passengers knew nothing, except for going to sleep on Earth and waking up on a strange new world forty, fifty, or two hundred years later. This was a primitive way to do it. But it worked. »

En 1961, l’auteur de science-fiction français Gérard Klein, sous le pseudonyme de Gilles d’Argyre, publie Les voiliers du soleil (aux éditions Fleuve Noir – n° 172, Collection Anticipation), qu’il revendique être le premier roman consacré aux voiles solaires.

Jack Vance, sur le mode du space opéra, décrit en 1962 le vol d’un voilier solaire en route vers Mars dans Les portes de l’ailleurs (Gateway to Strangeness – Sail 25) pour la revue Amazing Stories – avec en couverture une illustration de Robert McCall (qui réalisera plus tard l’affiche de 2001, L’Odyssée de l’Espace et de nombreuses peintures pour la NASA).

Mais la nouvelle la plus soucieuse de réalisme scientifique est probablement celle d’A.C.Clarke The Wind From the Sun (1963). Publiée d’abord sous le titre Sunjammer dans le magazine de science-fiction Boy’s Life, elle met en scène une course de voiliers solaires depuis la Terre vers la Lune. Cette nouvelle inspirera plus tard, en 1992, le musicien Mike Oldfield pour le titre Sunjammer de Tubular Bell II.

C’est également en 1963 que Pierre Boulle, dans La planète des singes, évoque dès le début de son roman des voiles solaires, cependant absentes du film de FJ Schaffner (1968) : « En ce temps-là, les voyages interplanétaires étaient communs, mais les déplacements intersidéraux encore exceptionnels. Les fusées emportaient des touristes vers les sites prodigieux […]. Ils parcouraient l’univers pour leur plaisir – à la voile. Leur navire était une sorte de sphère dont l’enveloppe – la voile – miraculeusement fine et légère, se déplaçait dans l’espace, poussée par la pression des radiations lumineuses »

En 1964, Poul Anderson dans un roman intitulé Sunjammer – comme la nouvelle d’A.C.Clarke – tente lui aussi une description détaillée et réaliste de voiliers : « The sail now nearly bisected the sky, four and a half miles across. The foam-filled members that stiffened it were like Brobdingnagian spokes with its slow rotation. That disk massed close to two tons, and yet it was ghostly thin, a micron’s breadth of aluminized polymer. . . . They cost money to build, out in free space, yet far less than a powered ship; for they required no engines, no crews, no fuel, simply a metal coating sputtered onto a sheet of carbon compounds, a configuration of sensors and automata, and a means to signal their whereabouts and their occasional needs. Those needs rarely amounted to more than repair of some mechanical malfunction. »

A partir des années 70, les voiles solaires deviennent un thème « classique » de la science-fiction, traité par de nombreux auteurs. On peut citer parmi eux Larry Niven et Jerry Pournelle avec The Mote in God’s Eye (traduit en français sous le titre La poussière dans l’œil de Dieu) en 1974 ; George R. R. Martin et Lisa Tuttle’s avec Windhaven en 1981) ; et Robert Forward avec The Flight of the DragonFly en 1984, imaginant un voilier photonique géant propulsé par un rayon laser pour un voyage de 20 ans à destination de l’étoile de Barnard. En tant que scientifique, R. Forward publiera par ailleurs des travaux théoriques développant cette idée, ainsi que la possibilité d’utiliser la pression photonique pour « léviter » des satellites sur des orbites atypiques.

En 1990, les différents aspects de la propulsion photonique seront présentés, à travers des articles et nouvelles de fiction, dans Project Solar Sail, publié par Arthur C. Clarke et David Brin pour l’association World Space Foundation (WSF).

4 – Missions

L’effet de la pression de la lumière solaire est clairement mis en évidence lors des expérimentations sur la réflexion des ondes hertziennes menées en 1960 par la NASA avec le satellite passif Echo-1 (ballon de mylar de 30 mètres de diamètre). Dans les années qui suivent, l’agence spatiale poursuit des études technologiques sur la propulsion photonique, mais sans référence à une mission particulière.

C’est véritablement dans les années 70 que des applications concrètes seront envisagées. Lors du vol de Mariner-10 en route vers Mercure après son passage près de Vénus, les ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory décident d’exploiter la pression photonique exercée sur les panneaux solaires de la sonde afin de prolonger la durée de vie de la mission, ce qui permettra d’effectuer au total trois survols de la planète en septembre 1974 (13).

La première mission conçue pour un voilier solaire est imaginée à la même époque sous l’impulsion de Jerôme Wright – alors ingénieur au Battelle Memorial Institute dans l’Ohio – , qui propose l’idée d’un rendez-vous spatial avec la comète de Halley pour son passage de 1986. Le JPL, sous la direction de Bruce Murray, s’engage en 1977 dans le projet dont le pilotage sera assuré par Louis Friedman. La faisabilité du concept est démontrée, mais la NASA renonce finalement, estimant le délai trop court pour l’échéance d’un lancement en 1981 ou 1982. Par la suite, plusieurs ingénieurs du JPL créeront World Space Foundation pour poursuivre ces travaux sur les voiles solaires dans un cadre privé.

En France, en 1981, est créée à l’initiative d’ingénieurs du domaine spatial l’Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique (U3P), association dont le but est d’organiser une course de voiliers solaires de la Terre à la Lune – idée qu’elle redécouvrira plus tard dans la nouvelle d’Arthur C. Clarke écrite vingt ans auparavant, The Wind From The Sun, dont elle fera la première traduction en français. Si ce projet a été à plusieurs reprises sur le point d’aboutir – notamment au milieu des années 80 avec le soutien du Conseil Régional Midi-Pyrénées qui ne concrétisera finalement pas ses engagements – il n’a pas encore été réalisé et reste aujourd’hui d’actualité.

A la fin des années 80, d’autres projets s’intéressant à la forte dimension symbolique des voiliers solaires sont envisagés – sans voir le jour -, avec « Colombus 500 », dont l’objectif est d’organiser sur un mode similaire une course de voiliers vers Mars pour célébrer en 1992 l’anniversaire de la découverte de l’Amérique; ou le projet de structures gonflables ARSAT s’inscrivant dans la démarche artistique du plasticien Pierre Comte. L’architecte français Jacques Rougerie s’intéressera lui aussi aux voiliers solaires en proposant l’Arche de Lumière.

Bien qu’il ne s’agisse pas à proprement parler d’un voilier, les techniques de déploiement dans l’espace de la voile-miroir circulaire de grande taille (20 mètres de diamètre) Znamya 2 sont expérimentées avec succès le 4 février 1993, depuis un vaisseau automatique Progress en liaison avec la station MIR, grâce à l’ingénieur russe Vladimir Syromiatnikov dans le cadre du Space Reggata Consortium (14).

Des structures légères préfigurant là encore des solutions pour le déploiement de voiles, sont testées en mai 1996 depuis la navette américain Endeavour, avec l’antenne gonflable Spartan.

Durant les années 90, l’agence spatiale allemande DLR développe avec la NASA Odissee, un projet de voile carrée de 40 mètres de coté et d’une masse d’environ 100 kg, qui serait lancée en orbite géostationnaire depuis une fusée Ariane 5.

 

Des études théoriques s’intéressant aux applications de la propulsion photonique se poursuivent notamment en France dans le cadre du projet Vigiwind, conçu par Jean-Yves Prado (CNES), destiné à maintenir sur une trajectoire stable – grâce à une voile solaire – un satellite d’observation proche de l’orbite de Mercure constamment maintenu dans l’alignement de la Terre, permettant de surveiller l’arrivée de flux de particules issues d’éruptions solaires.

Les projets de voiles solaires se multiplient dans les années 2000, aussi bien au sein des agences spatiales que des milieux universitaires et associatifs. Avec des fonds privés, la Planetary Society (15) parvient à lancer le 21 juin 2005 Cosmos 1, voile d’une centaine de kg et de 30 mètres de diamètre, composée de 8 « pales » triangulaires, et totalisant une surface de près de 600 m2. Le lanceur – un missile déclassé Volna lancé depuis un sous-marin russe en mer de Barents – rencontre une panne-moteur peu de temps après le décollage, et la mission ne peut malheureusement aboutir. Le responsable du projet, Louis Friedman, relancera un nouveau programme – actuellement en cours – dans le cadre de la Planetary Society avec Lightsail – série de trois satellites dont le dernier modèle est destiné à démontrer, à l’instar de Vigiwind, la faisabilité d’un système de surveillance des éruptions solaires.

Le lancement effectif de la première voile solaire est réalisé par l’agence spatiale japonaise JAXA. Le 9 août 2004, l’Institute of Space Astronautical Science (ISAS, aujourd’hui intégré dans la JAXA), était parvenue à tester l’ouverture d’une voile lors d’un vol balistique lancé depuis le centre spatial d’Uchinoura – et c’est près de six ans plus tard, le 21 mai 2010, qu’est lancé puis déployé dans l’espace avec succès (le 10 juin) le « Solar-Power-Sail » Ikaros.

Ikaros est une voile carrée en polyimide de 7,7 microns d’épaisseur, et d’un diamètre de 20 mètres pour une masse d’environ 300 kg, combinant la propulsion photonique et, à terme, un moteur ionique alimenté par l’énergie captée sur la voile même par des cellules solaires. Son originalité réside également dans son système de contrôle d’attitude, utilisant des bandes de cristaux liquides disposées sur les bords latéraux de la voile, dont l’indice de réflection peut être commandé électriquement.

Une seconde mission est prévue dans les prochains mois, avec une voile de 50 mètres de diamètre, pour un vol à destination de Jupiter et des planètes Troyennes.

D’autres projets se tournent aujourd’hui vers les possibilités offertes par nano-satellites, conçus autour de structures de type Cubsat. C’est le cas du micro-voilier NanoSail-D2, éjecté dans l’espace par la NASA depuis le satellite FastSat le 6 décembre 2010, actuellement le second voilier solaire en orbite autour de la Terre. Ou les projets que poursuivent actuellement l’U3P – avec Libellule-Dragonfly – ou l’université du Surrey (UK) soutenue par EADS Astrium, avec Cubsail.

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Notes :

(1) De Cometis Libelli Tres, Johannes Kepler, 1619. Version numérique de l’édition originale téléchargeable sur :
http://www.e-rara.ch/zut/content/titleinfo/272385

(2) Traduction du texte original en latin extraite de L’essayeur Galilée, Christiane Chauviré, Annales littéraires de l’université de Besançon – Les Belles Lettres, Paris, 1980. – page 252.

(3) Cité dans Histoire de l’astronomie moderne, Jean Sylvain Bailly, 1785. « [L’opinion commune] croyait voir ces queues [des comètes] toujours dirigées à l’opposé de la terre. Pierre Appien, qui vit mieux à cet égard, montra qu’elles étaient opposées au soleil. Sa remarque fut confirmée pour tous les observateurs, et par Tycho lui-même, avec cette différence cependant que ce dernier crut y remarquer une déflexion ». Voltaire, dans Eléments de la philosophie naturelle de Newton rappellera également ces premières observations de Pierre Appien (Chapitre XIII – Des comètes) : « La situation de cette lumière, qui varie par rapport à nous, est toujours la même par rapport au soleil ; elle est toujours opposée à cet astre ; et cette vérité était connue dès le seizième siècle ; elle avait été découverte par Pierre Appien ».

(4) Encyclopédie moderne, ou dictionnaire abrégé des sciences, des lettres et des arts, M.Courtin, Bureau de l’encyclopédie, Paris, 1825, page 556.

(5) Cité notamment par Paul Gilster, Centauri Dreams, imagining and planning interstallar exploration, Springer Science 2004. Extrait de la lettre de Kepler à Galilée : « There will certainly be no lack of human pionneers when we have mastered the art of flight … Let us create vessels and sails adjusted to the heavenly breezes, and there will be plenty of people unafraid of the empty wastes. In the meantime, we shall prepare for the brave sky-travelers maps of celestrial bodies. I shall do it for the moon, you Galileo, for Jupiter ».

(6) Principes de la Philosophie, Troisième partie, Descartes. p.358 : « […] c’est toujours vers le coté opposé du soleil qu’elle paraît. En sorte que si la terre se rencontre justement en ligne droite entre la comète et le soleil, cette lumière se répand également de tous cotés autour de la comète ».

(7) Ibid., p.358 – 134. En quoi consiste la réfraction qui fait paraître la queue des comètes : « A cet effet, il faut que j’explique un nouveau genre de réfraction, duquel je n’ai point parlé en Dioptrique, à cause qu’on ne le remarque point dans les corps terrestres ».

(8) Eléments de la philosophie naturelle de Newton, Voltaire (et Emilie du Chatelet), 1739. Chapitre XII : « Descartes s’est mépris dans l’explication de cette queue des comètes; il prétendait que c’était une réfraction de la lumière de ces astres. Une seule réflexion renverse ce système. Les planètes ont beaucoup plus de lumière que les comètes: elles devraient donc avoir des queues, des chevelures, des barbes beaucoup plus longues; elles n’en ont point du tout. Cette explication de Descartes est donc sensiblement fausse. Newton ajoute à cet argument contre Descartes une autre objection non moins décisive: c’est que si la réfraction de la lumière réfléchie du corps des comètes causait ces traînées de lumière, on devrait y voir des couleurs différentes, attendu la grande inégalité des réfractions dans la longueur de ces queues. »

(9) A treatise on Electricity and Magnetisms, James Clerk Maxwell, 1873.

(10) Cité dans : Solar Sailing : technology, dynamics, and mission applications, Pringer ed., Collin Mac Innes, 1999.

(11) Cité dans : Russian Planetary Exploration, History, Development, Legacy and Prospects, Brian Harvey, Springer ed., 2007.

(12) En particulier Louis Friedmann, dans Starsailing: Solar Sails and Interstellar Travel, JohnWiley & Sons,1988.

(13) Il est souvent mentionné que Mariner-10 est la première utilisation opérationnelle de la pression photonique pour une mission spatiale. Ce n’est pas tout à fait exact (cf. B. Murray). L’idée d’effectuer un deuxième survol de Mercure en jouant sur la résonance (2:1) entre la période de Mariner-10 et celle de Mercure est de Giuseppe Colombo (en l’honneur duquel a été dénommée la mission ESA vers Mercure). Celle d’orienter Mariner-10 de sorte que l’effet de pression photonique permette un troisième survol de Mercure par la sonde, une fois que les ergols permettant la stabilisation de la sonde furent épuisés vient d’ingénieurs du JPL. L’idée, qui a été largement reprise par la suite pour la stabilisation des satellites de télécommunication en particulier, est d’équilibrer le satellite en annulant le couple dû à la pression photonique, ceci en orientant convenablement des appendices mobiles (antennes en général). Ce n’est donc qu’indirectement et non par un effet direct de propulsion que le troisième survol de Mercure par Mariner-10 a été rendu possible par la pression photonique. Néanmoins, c’est cette équipe d’ingénieurs du JPL qui quelques années plus tard proposa d’utiliser la pression photonique pour cette fois naviguer dans l’espace, l’objectif étant d’accompagner la comète de Halley lors de son passage de 1986.

(14) Le Space Regatta Consortium (SRC), est créé en 1990 par RSC Energia et divers organismes russes du domaine spatial pour développer le programme expérimental Znamya (« le drapeau »). SRC est dirigé par Yuri P. Semenov, Nikolai Sevastyanov et Vladimir Syromiatnikov.

(15) La Planetary Society a été créée en 1980 par Carl Sagan, Bruce Murray et Louis Friedman.