[News] Voiles solaires: le projet LightSail de la Planetary Society

[Adrien]

La Planetary Society vient de dévoiler son nouveau projet de voile solaire, 4 ans après sa tentative ratée de lancer pour la première fois une voile solaire (Cosmos-1). Un échec imputable au lanceur russe Volna qui n’avait pas permis à Cosmos-1 d’atteindre son orbite de 800 km. Ce projet nommé LightSail a été rendu possible par le don d’un million de dollars d’une firme US du secteur spatial. Il est bien plus ambitieux que celui de 2005, car il prévoit le lancement de 3 voile...

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[apollo31]

Le principe des voiles solaires est analogue à celui des voiles à vent mais, ce sont les flux de photons solaires, et non les courants d’air, qui poussent le satellite. En "rebondissant" sur la voile qui agit comme un miroir, les radiations solaires exercent une poussée sur celle-ci. La pression solaire est très faible et diminue proportionnellement au carré de la distance au Soleil. Mais elle agit en permanence. Autrement dit, il faut maximiser le rapport S/m (surface par rapport à la masse du satellite) mais rapidement la masse du satellite devient équivalente à la masse de la voile.

Qui peut m'expliquer comment un flux de photons peut propulser une voile ? Il me semble me souvenir que les photons n'ont pas de masse....

[Victor]

Pas de masse peut être mais on considère qu'un photon possède une énergie selon la formule de Planck E = hC/Lambda et si on compare à la formule de la relativité E= M.C² on déduit un P propre aux photons Soit E =h mu= h (C/Lambda) = MC² On en déduit pour un photon P = MC = h/Lambda et la quantité de mouvement des photons est suffisante pour créer une force dP/dt

[Roroleblaireau]

Il n'y a que l'énergie cinétique accumulée à la surface du soleil qui propulse le photon, diminuant j'imagine à cause de la gravité (entre autre du soleil).

Et l'énergie cinétique dépend de la masse et du carré de la vitesse, donc pas de masse, pas d'énergie !



Ou peut être que j'ai tout faux ... Mais ces histoires de masses nulles ça me dépasse un peu, si ça existe, ça doit bien avoir une masse, aussi infime soit elle !

[Victor]

Non comme je t'ai dit il faut raisonner avec la quantité de mouvement et l'énergie... La formule que je te donne c'est aussi celle des ampoules dans lesquelles on a fait le vide et ou il y a 2 faces l'une réfléchissante l'autre noircie pour adsorber la lumière dès qu'on éclaire, ben ça tourne... Bien sûr c'est monté sur un petit axe de rotation sans frictions

[Bap2703]

Victor parle d'un radiometre de Crookes pour ceux qui ne verraient pas ce qu'est ce type "d'ampoule".
[img=]http://sites.google.com/site/sciencesaulyceejeannehachette/_/rsrc/1233917666361/Home/radiom%C3%A8tre%20de%20Crookes%202.jpg[/img]

Le photon à une impulsion/quantité de mouvement p=h/?
On y arrive en partant de l'énergie de la particule (celle que tout le monde connait pour les particules immobiles) : E²=(mc²)²+(pc)², sachant que le photon n'a pas de masse on a E²=(pc)², soit E=pc. Un photon à une énergie E=h?, on a donc p=h?/c, soit p=h/?.

Quand un photon frappe la voile solaire il transfère donc son impulsion p à la voile. Comme la voile est réfléchissante le photon repart dans l'autre sens en redonnant une deuxième fois une impulsion p à la voile. C'est pour ca que les voiles sont réfléchissantes et non pas noires : deux fois plus de poussée.


[edit] et la poussée diminue quand on s'éloigne du soleil simplement parce que le flux de photons est dilué sur une surface plus importante.

[Troll]

Un photon n'a pas de masse .....soit !!
Mais c'est peut-être parce qu'on n'a pas de balance assez précise !! Bon, je déconne, c'était mon coté troll !!

Mais je posais quand même une question : Et si un photon avait une masse, si infime soit-elle, pourrait-on imaginer que vu la quantité de photon émises par les étoiles, cela pourrait-il correspondre à la masse manquante tant recherchée ?
( désolé si cette question peut paraitre trollienne, cette fois-ci, c'est pas voulu )

[Victor]

Le photons réagit aux géodésiques de gravité intense... Perso je le tiens comme quantum de masse selon le dm différentiel ou différence de masse de la formule (dm)C² = h (mu1-mu2) où le dm corresponds à un quantum de masse E1-E2 =h.(mu1-mu2) mu1 et mu2 (2 fréquences pour créer un photon)... E1-E2 différences des énergie E1 énergie excitation d'une particule - E2 énergie particules non excité

[klinfran]

@troll, qu'il ait une masse ou une énergie est équivalent dans ce cas, puisque la gravité est provoqué par l'énergie et non la masse "classique". D'ailleurs c'est surtout le tenseur énergie impulsion qui détermine la "forme de la gravitation". De plus, on en tient déjà compte quand on parle de matière ordinaire et de matière noire, la masse lumineuse représente vraiment un pouillème de pouillème. Mais de toutes façons en réfléchissant bien, c'est impossible, tout simplement parce que cette masse lumineuse vient en majorité des réactions nucléaires au seins des étoiles, c'est la masse qui était déjà contenue dans ces étoiles qui s'échappe petit à petit. Au passage le centre galactique doit avoir l'air plus lourd de loin que de près (car la lumière met un certain temps à y arriver).

Sinon pour ceux qui ont du mal avec la mécanique quantique et la quantité de mouvement, on peut juste considérer l'électromagnétisme de maxwell, il se trouve que le champ électrique de l'onde induit un courant dans un métal et que le champ magnétique le dévie grâce à la force de laplace, d'où pression, et toujours dans le même sens. Pour ce qui est de l'énergie ensuite c'est simple, la fréquence de l'onde émise est diminuée par le recul du métal (la nouvelle source) ce qui diminue l'énergie. C'est une vision plus classique.

[Aldaux]

C'est un des principes fondamentaux de la physique : un photon ne peut pas avoir une masse non nulle sinon il ne pourrait pas avoir une vitesse c.
Il ne faut pas raisonner sur les photons avec seulement une vision corpusculaire de la lumière, comme Newton et Laplace en leur temps, mais aussi avec une vision ondulatoire comme Fresnel. Le relativité restreinte d'Einstein rend parfaitement compte de la masse nulle du photon, la relativité générale avait prévu les trous noirs comme des puits de gravitation si profonds et "pentus" que même avec une vitesse c un "mobile" ne pourrait pas en sortir, donc un photon.
Et c'est ce que les astrophysiciens ont confirmé par l'observation, confirmant de façon éclatante la pertinence de la théorie.

Pour en revenir à la voile solaire, l'engin me fait rigoler. Certes le principe n'est pas aberrant, loin de moi l'idée de rouler dans le pipi les gens qui l'ont imaginé, mais pour être efficace il lui faudrait des dimensions gigantesques, donc une telle inertie que les limites seraient vite atteintes.
En dehors de petites impulsions destinées à stabiliser un petit engin spatial sur son orbite, je ne vois pas l'intérêt, outre que le vent solaire ralentit déjà assez comme ça les satellites sans aggraver encore la situation. L'engin serait donc limité à un usage destiné à l'éloigner du soleil, et ce avec une impulsion diminuant en fonction du carré de la distance, les limites seraient vite atteintes.

Je compare le concept de voile solaire à un véhicule spatial habité qui partirait en voyage vers une exoplanète potentiellement habitable : il lui faudrait de telles dimensions - donc une telle inertie - que l'accélérer à une vitesse compatible avec la durée du voyage (en dehors du "billard cosmique") nécessiterait une énorme quantité d'énergie (donc de masse) à embarquer, avec évidemment autant d'énergie pour ralentir. Un calcul assez simple permet d'arriver à une masse limite pour ce type d'engin, voisine de celle d'une particule subatomique.

Je ne peux pas m'empêcher d'évoquer la technique imaginée par les Shadoks pour se déplacer dans l'espace en bateau. Cela pourrait faire un excellent poisson d'avril.

[Maulus]

En tout cas je plussoie avec force ce genre de prototype.
C'est sur que si on test jamais les principes qui nous semblent hors course dès le début, on fera jamais de percée dans le domaine...
Peut être qu'on trouvera un matériau beaucoup plus efficace.

[Troll]

Merci Klinfran et Aldaux pour vos réponses simples et très claires
Victor, je sais pas si tu répondais à ma question mais je suis malheureusement totale à l'ouest avec les formules, merci quand même !!

[Maulus]

Victor il écrit comme il pense
Vous êtes en live avec sa ptite voix intérieur lol

[Victor]

L'histoire des voiles solaire c'est vieux comme l'astronautique... On en parlait déjà dans les années 50... Il y a aussi un problème secondaire ... c'est que ces voiles si elles sont gigantesques elles sont aussi très visibles de loin... Les astronomes disaient que c'était une pollution lumineuses dans leurs observation...La magnitude de telles voiles dépassent les étoiles les plus lumineuses c'est gênant

[Maulus]

Pas con, mais c'est clair que sa doit pas être négligeable !
De la pollution lumineuse dans le vide de l'espace... on va trop loin dans le délire

[spic]

Pour ceux qui voudrait des chiffres mon prof de physique s'était amusé à nous donner à calculer des ordres de grandeur. On prennais pour modèle le vaisseau la Diane dans la nouvelle "Le vent venu du soleil" de Arthur C Clarke.

Donc pour 5 millions de mètres carrés de voile on a à proximité de la terre 45 N de poussé par les radiations solaires (photons) mais moins de 0,5 N de poussé provoquée par le vent solaire (particules). Avec un vaisseau de 3,6 tonnes, dont 2 tonne de voile (qui sont sensées être en plastique recouvert d'allu ) l'accélération est d'environ 0,01 m/s² . Cependant en 2 orbites terrestres complète il atteint de justesse la vitesse de libération et donc dans le roman arrive à atteindre la lune.

A priori aujourd'hui on est capable de faire des voiles moins lourdes et plus réfléchissante encore, mais peut être pas de 5 millions de m² .

[franckpiton]

Il y a aussi un problème secondaire ... c'est que ces voiles si elles sont gigantesques elles sont aussi très visibles de loin...

à quand les voiles solaires publicitaires, une immenses voile en forme du logo d'un fast-food qui brillerait au firmament.

[Vampire]

Merci pour toutes ces précisions scientifiques, qui m'ont un peu rappelé mes cours de Prépa ^^

[klinfran]

en fait le calcul fait par victor prend justement en compte une réflexion "parfaite", c'est à dire qu'on ne pourrait pas faire mieux. Pour ce qui est de tester la technologie pour voir ce que ça donne, c'est un peu comme de douter de la théorie et de l'universalité de l'expérience sur terre. On peut très bien observer la poussé produite par une grosse lampe sur un miroir ici sur terre, je doute vraiment de l'efficacité du dispositif, ça reste un beau projet.

[spic]

Avec 3 couches d'aluminium de 0,02µm d'épaisseur on arrive déjà à plus de 80% de rayonnement réfléchi. Si on tient en compte que le reste est absorbé et transmet donc une fois sa quantité de mouvement (contre 2 fois pour le réfléchi) on arrive quand même à des bon rendements. A mon avis le problème reste les superficies de voile.

[basstemperature]

Dans les calculs, vous comptez quoi exactement comme radiation de photons qui fait pression sur la voile ?

car je me rend compte que souvent on simplifie en prenant juste une longueur d'onde pour calculer : mais comme le soleil, comme toute les étoiles crachent plein de longueur d'ondes différentes : cela ne fausserait il pas les calculs en minoration systématique de la vrai poussée ? Sachant qu'il me semble on parle seulement de la 0.5 µm comme longueur d'onde ? A moins que se soit juste une moyenne et non un simple échantillonage de photons émis par le soleil ?

Concernant l'effet du vent solaire en + : Apperement les calculs se base sur des protons émis : des ions hydrogènes quoi ...

mais normalement le vent solaire dispose de 24% d'hélium : ce qui allourdit normalement considérablement les particules qui cognent sur la voile non ? vu qu'en gros l'hélium est a peu près 4x + lourd que l'hydrogène : c'est comme si il fallait doubler la mise donc ? non ?

Vous seriez pas en train de sous estimez un peu l'usine a gaz la ? Par contre bon de toute façon pour le coup ou la voile solaire peine a se détacher de l'orbite terrestre : il faut savoir que normalement de toute façon l'extraction de l'orbite pour ses genres de projets se fait sur une propulsion chimique : donc la question est vite réglée ...


Par contre un truc qui m'a laissé un peu perplex : les japonnais parlaient d'un projet (vu sur wiki ... a moins que se soit un contrubuteur en mode boulay, car bon y en a ... ) de voile solaire pour emporter le matériel scientifique d'une sonde ... pour aller :

sur Venus


Ca parait ballot quand même : m'étonnerait a 1 UA de distance du soleil on puisse lutter avec une voile solaire contre le sens contraire du vent solaire non ? même si évidement la course de la sonde serait pas avec la voile pile perpandiculaire au sens du vent : dans tout les cas, cette voile en allant direction système interne s'opposent forcément au sens du vent non que se soit avec un angle léger ou pas ...

A moins que ça marche comme en voile marine ou le glonflement et la forme de la voile permet de naviguer a sens contraire du vent mais guère vite quoi : toujours est il que l'intéret parait bidon non ? dans le cas de Vénus depuis la terre j'entend bien, surtout que ça risque en fait de faire dévier completement la sonde : avec les coups de vent solaire imprévisible ...

[Gerber53]

Bap2703 et Victor parlent d'un radiometre de Crookes

Il me semble que la cause du Mvt n'est pas la pression radiative directe, mais plutot une réaction de l'air résiduel :
la face noire s'échauffe sous léclairage, l'air immédiatement présent de même et il est propulsé "comme une fusée".

la face brillante restant froide aucune contre pression -hors aérodynamique- ne se développe.

Cette explication rendrait compte du sens de rotation du radiomètre, et de la stabilisation en vitesse.

la rotation serait contraire si elle ne s'appuyait que sur les photons

Oui/non ?

[Victor]

Sans les photons, lumière éteinte pas de mouvement...

[himmelgien]

La voile solaire fut développée au début des années 80 par une équipe enthousiaste venue essentiellement du CNES et regroupée au sein de l' UPPP ( ou U3P ) , l'Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique ( assoc. loi 1901) . Mais pas contagieuse, puisque malgré un stand au salon du Bourget, une implication dans le projet de navette "Hermès" ( lui aussi abandonné, hélas !) , un soutien de la Région Pyrénées ... ce projet n'aura pas brillé à travers les étoiles et s'est fait surtout mettre des bâtons dans les roues !...

[basstemperature]

Une voile solaire avec Hermès ?

Didiou ! Pourquoi faire ? Les voiles solaires de par leur fonctionnement on normalement besoin d'avoir atteint avec évidement la charge qu'elles tractent, bref d'avoir atteint la vitesse de libération terrestre de 40320 km/h (11,2 km/s) pour pouvoir travailler réellement !

En dessous sert a que nib' !

Hermès n'était ni plus ni moins qu'une "shuttle like" aux performances similaires, et donc guère envisageable d'atteindre une vitesse de libération avec (soit une vitesse ou on est plus en orbite, ou l'on peu quitter l'environnement orbital terrestre en ligne droite comme bon nous semble, sans que l'attraction terrestre par sa cruauté nous ramène a la réalité que ce n'est qu'une courbe orbital en dessous de cette vitesse) a moins de la blinder de carburant pour espérer contracter la poussée comme l'ont fait les missions apollo pour s'en libérer avec la séquence S-IVB de saturne V, soit son troisième étage, seul engin au monde qui a propulsé des hommes a la vitesse de libération depuis le début de l'histoire spatial et non reproduit depuis ...

Après bon, bien entendu maintenant c'est une opération facile, car fait X fois pour X sondes ...

Mais bon, avec hermès, franchement, je vois pas quoi ce qu'on peut bien faire d'une voile solaire ?