Voile solaire
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Introduction

La voile solaire Cosmos 1

Une voile solaire ou photovoile est un dispositif de propulsion utilisant la pression de radiation émise par les étoiles pour se déplacer dans l'espace à la manière d'un voilier (Un voilier (ou bateau à voiles, navire à voiles) est un bateau ou navire propulsé par la force du vent. Historiquement, les voiliers ont été le premier moyen de transport à moyenne et longue distance avant l'invention des machines à...).

Compte tenu de la faible propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force motrice l'énergie fournie...) générée, le procédé ne permet pas de quitter la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) d'une planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique,...) (même dénuée d'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), et donc de friction). Il est en revanche utilisable sur un appareil ayant déjà atteint la Vitesse (On distingue :) de satellisation (La satellisation, dans le domaine de l'astronautique, est l'action d'imprimer à un engin spatial un mouvement périodique autour d'un astre de masse prépondérante de sorte qu'il en devient un satellite artificiel.) minimale, voire la vitesse de libération (La vitesse de libération (aussi appelée vitesse d'évasion, vitesse parabolique, vitesse de fuite, ou vitesse d'échappement, en anglais escape velocity) d'une...).

Principe général

La voile solaire (Une voile solaire ou photovoile est un dispositif de propulsion utilisant la pression de radiation émise par les étoiles pour se déplacer dans l'espace à la manière d'un voilier.) est propulsée par la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) produite par les photons qui viennent la percuter. Plus la voile (Les Voiles sont l’une des 88 constellations du ciel, visible essentiellement de l’hémisphère sud. Incluse à l’origine par Ptolémée dans...) est grande et réfléchissante, plus grande est la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...) de propulsion. On peut alors en inclinant la voile ou en agissant sur sa voilure, modifier la surface offerte à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...) et ainsi doser l'équilibre des forces pour ainsi « piloter » la voile. À la manière d'un bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer, dirigé ou non par ses occupants. Il répond aux besoins du transport maritime ou fluvial,...) à voile, utilisant la force de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus...), un engin spatial à voile solaire, peut utiliser la force gravitationnelle et la force de poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de...) photonique pour naviguer dans l'espace.

Le principal intérêt réside dans l'absence de carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) pour un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.) muni d'un tel dispositif. Cela permet d'envisager une très grande autonomie de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens ...) dans le système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui (autrement dit, notre système planétaire) : les huit...).

Action de la pression de radiation (La pression de radiation est la pression exercée sur une surface exposée à un rayonnement électromagnétique. Cet effet fut déduit théoriquement par James Maxwell en 1871 et fut détecté expérimentalement par Pyotr Lebedev en 1900...) sur la voile solaire

Impulsion d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) « moyen »

Un corps massif (Le mot massif peut être employé comme :) animé d'une vitesse par rapport à un repère possède dans celui-ci une quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse d'un objet. La quantité de mouvement d'un système fait partie,...) qui est le produit m \mathbf{v}. Une particule sans masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) (comme un photon) possède une caractéristique s'exprimant dans la même unité et qui se nomme l'« impulsion » : le rapport de son énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) sur sa célérité (La célérité (traditionnellement notée c) est la vitesse de propagation d'un phénomène ondulatoire. Elle varie selon les composantes fréquentielles de l'onde et son milieu de propagation.).

Pour des raisons de conservation, l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon...) de la particule par une cible engendre un recul de celle-ci selon la formule :

p = \frac{h \nu}{c} = \frac{h}{\lambda}

avec

h : constante de Planck (En physique, la constante de Planck, notée h, est une constante utilisée pour décrire la taille des quanta. Elle joue un rôle central dans la...) 6,6e-34 J.s
ν : fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie...) (en hertz)
c : la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant...) 3e8 m.s-1
λ : la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) (en m)

Pour simplifier les calculs, supposons que le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une...) n'émette pas un panachage de longueurs d'ondes, mais juste une de 0.5 µm.

  • L'impulsion de chaque photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit...) sera donc voisine de 10-27 kg.m.s-1
  • et son énergie Ep = 3.96x10-19 Joule, soit 2.5 eV.
Vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) d'une voile solaire

Usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) macroscopique

Le Soleil émet une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) totale de Es = 3,9x1026 W. Cela représente Es/Ep = 1045 photons par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La...).

Sur orbite terrestre (Une orbite terrestre est une orbite située autour de la Terre. La Lune, le seul satellite naturel de la Terre, est située sur une orbite terrestre. Les satellites artificiels sont placés en orbite terrestre et les sondes...), ces photons se répartissent sur une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à...) de 150 millions de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière...) de rayon, soit une surface de 3.1023 m².

Cela représente une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) de 1045/3.1023 soit 3.1021photons/m².

On multiplie par l'impulsion de chacun pour obtenir l'impulsion maximale que peut recueillir 1 m² de voile solaire sur orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) terrestre, soit 5x10-6 kg.m.s-1 par m².

Pour accélérer 1 kg de 1 m.s-2, il faut donc au minimum une surface de 120 113,5 m², soit un carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même...) de 346 × 346 m, la masse de cette voile étant à déduire pour obtenir la charge utile (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui...). Une voile de cette taille utilisant moins d'1 kg se romprait immédiatement sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes....) sous n'importe quel courant d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...), mais ce problème n'existe évidemment pas à cette ampleur dans l'espace.

Importance du vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Pour les étoiles autres que le Soleil, on...)

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:

Vitesse des particules environ 500 km/s = 5.105 m/s

Densité environ 10 / cm³, soit par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière...) cube : 107 particules.

En une seconde et sur 1 m², il arrive donc N = 5.105 x 107 = 5.1012 particules.

La composition est variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un...), mais contient essentiellement des électrons et des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) ionisé (c’est-à-dire des protons). La masse de chaque particule est donc à la louche : m = 2.10-27 kg.

Si elles rebondissent complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la quantité...) sur la voile, chacune va transmettre à la voile une impulsion égale au double de la sienne (Sienne (Siena en italien) est une ville italienne, chef-lieu de la province du même nom, dans la région de Toscane. Elle compte 54 500 habitants (2004).), soit p = 2 m.v = 2.10-21 kg.m/s.

L'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une...) subie par 1 m² est donc : a = N x p / 1 s = 10-8 kg.m/s²

Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) ceci est une estimation haute. Si on compare à la pression radiative trouvée ci-dessus (soit 5.10-6), le vent solaire ne contribue au mieux qu'à 0,2 % du total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total...). Et en fait, si on tient du 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 final une contribution de l'ordre de 0,05 %, autant dire négligeable.

Par contre, on peut envisager d'utiliser le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une...) créé par des particules chargées électriquement pour se propulser, à l'aide d'une voile magnétique.

Conception de voiles solaires

Étude de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du programme spatial des...) 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 220 000 m² est nécessaire pour obtenir une poussée de 1 kg.m.s-1). La difficulté va être alors de transporter cette voile lors des mises en orbites de ces engins, de la déployer et de la diriger dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) spatial.

On trouve différentes formes de voiles :

  • 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 (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les...) d'un axe central plus facile 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 (Satellite peut faire référence à :) d'étude de la comète (En astronomie, une comète est un petit astre brillant constitué de glace et de poussière du système solaire, dont l'orbite a...) de Halley en 1973, la voile solaire était conçue en polymère de mylar et de polyimide (kapton) de seulement quelques micromètres d'épaisseur.

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