Films ultraminces : l'art de tisser des voiles de lumière
Quelques micromètres pour les voiles solaires déjà lancées, quelques centaines de nanomètres pour celles qui visent Alpha du Centaure. Fabriquer des films aussi fins, sans défaut et sur des mètres carrés, est un défi industriel.
Une voile solaire avance sans carburant, poussée par la lumière. Chaque photon qui rebondit sur sa surface lui transmet une infime quantité de mouvement. La poussée est minuscule : il faut donc une voile immense, et la plus légère possible. Tout repose alors sur un matériau, un film si mince qu'on mesure son épaisseur en micromètres (millièmes de millimètre), voire en nanomètres (millionièmes de millimètre). En fabriquer quelques centimètres carrés en laboratoire est une chose ; en produire des dizaines de mètres carrés, sans un accroc, en est une autre.
Des voiles déjà dans l'espace
Le premier succès vient du Japon. Lancée le 21 mai 2010 avec la sonde Akatsuki, en route vers Vénus, IKAROS, de l'agence spatiale japonaise JAXA, a déployé en tournant sur elle-même une voile carrée de 14 m de côté, en polyimide de 7,5 micromètres d'épaisseur. Le film portait aussi des cellules solaires en couche mince et un dispositif à cristaux liquides qui a permis, en juillet 2010, de contrôler l'orientation de l'engin. JAXA la présente comme le premier engin au monde à combiner propulsion par la lumière et production d'électricité par film mince en croisière interplanétaire.
En 2019, l'association américaine The Planetary Society, financée par plus de 50 000 donateurs, a mis en orbite LightSail 2, un petit satellite doté d'une voile de 32 m² en Mylar aluminisé de 4,6 micromètres. Jusqu'à la fin de sa mission, en novembre 2022, il a montré que la pression de la lumière ralentissait de façon mesurable la décroissance de son orbite.
La NASA a suivi avec ACS3, lancé en avril 2024 par une fusée Electron depuis la Nouvelle-Zélande. Fin août 2024, il a déployé une voile de 80 m² tendue par quatre mâts en composite de 7 m. Sa membrane est un film de polyéthylène naphtalate (PEN) de 2 micromètres, recouvert d'aluminium sur une face pour réfléchir la lumière, et de chrome sur l'autre pour mieux rayonner la chaleur. Au sol, la NASA et ses partenaires industriels ont déployé en janvier 2024 un quadrant de voile d'environ 400 m², dans un polymère aluminisé d'environ 2,5 micromètres.
Le très mince, une affaire de rouleaux
Leur film sort d'une industrie qui sait déjà produire du très mince en continu. Les concepteurs d'ACS3 ont choisi le PEN parce qu'il est peu coûteux et disponible en rouleaux à la fois minces et larges.
Le principe du rouleau à rouleau rappelle une rotative d'imprimerie : un film souple se déroule en continu, reçoit un dépôt ou un motif, puis s'enroule à nouveau. On sait même y imprimer des motifs de taille nanométrique. En nanoimpression rouleau à rouleau, un cylindre gravé presse une résine déposée sur le film, durcie ensuite par la chaleur ou par les ultraviolets. Une revue publiée en 2014 recense des réseaux de lignes de 70 nanomètres obtenus ainsi aux ultraviolets, et, pour l'impression directe dans des films polymères, des vitesses de 0,2 à 15 mètres par minute. Les difficultés restent nombreuses : fabriquer des moules souples qui s'enroulent sur le cylindre sans s'user, déposer une résine parfaitement uniforme, décoller le motif sans l'abîmer.
Starshot : passer aux nanomètres
Pour atteindre Alpha du Centaure en une vingtaine d'années, l'initiative Breakthrough Starshot, lancée en 2016, proposait de pousser au laser des sondes de quelques grammes jusqu'à environ un cinquième de la vitesse de la lumière. Leurs voiles devraient mesurer de l'ordre du mètre, n'avoir qu'une épaisseur nanométrique, supporter la chaleur, garder leur forme sous la pression et rester stables dans le faisceau. Le matériau favori est le nitrure de silicium, une céramique bien maîtrisée par l'industrie des puces électroniques. Plutôt que de le recouvrir de métal, on le perce d'un réseau régulier de trous plus petits que la longueur d'onde de la lumière : ce cristal photonique transforme la membrane en miroir pour la couleur du laser.
En janvier 2025, une équipe du California Institute of Technology (Caltech) a mesuré directement la force exercée par la lumière d'un laser sur une membrane de nitrure de silicium de 50 nanomètres d'épaisseur et de 40 micromètres de côté, suspendue comme un trampoline miniature. Son objectif à terme : des voiles de 10 m², épaisses de 100 nanomètres ou moins.
En mars 2025, des chercheurs de l'université de technologie de Delft, aux Pays-Bas, et de l'université Brown, aux États-Unis, ont fabriqué un miroir en nitrure de silicium de 200 nanomètres d'épaisseur et de 6 cm de côté, percé de plus d'un milliard de trous. Leur motif à base de pentagones a été conçu par une méthode d'optimisation fondée sur des réseaux de neurones. Grâce à la photolithographie optique, procédé de l'industrie des semi-conducteurs, le temps d'écriture du motif d'une voile de 10 m² passerait, selon les auteurs, d'environ 15 ans par faisceau d'électrons à environ une journée, pour un coût par mètre carré divisé par 9 000.
Le programme Starshot lui-même a été mis en pause : selon le magazine Scientific American, son directeur exécutif, Pete Worden, a indiqué que des parties du projet seraient transmises à d'autres. Les recherches sur les voiles, elles, se poursuivent dans les laboratoires. Et le principal écart reste celui de l'échelle : l'assemblage de voiles nanostructurées a été démontré au millimètre, pas encore au mètre.
Et sur Terre ?
La marche « Usine à voiles » (voir la marche C-MAT-15) vise à fabriquer en série des voiles photoniques d'environ 10 m² et de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur, avec assez peu de défauts pour supporter un faisceau laser très intense. Elle prévoit de passer d'échantillons de 6 cm à une membrane couvrant une plaquette de silicium de 200 mm, de transférer le motif par nanoimpression sur des films d'au moins un mètre carré, et de cartographier les défauts de chaque voile par inspection optique. Sans voiles produites avec un rendement et un coût maîtrisés, aucune flotte de sondes à voile ne pourra partir vers les étoiles.
Sur Terre, ces procédés intéresseraient dès maintenant les fabricants de films de refroidissement radiatif, de modules photovoltaïques et d'optiques industrielles, comme les filtres, les miroirs ou les réseaux de diffraction. Apprendre à tisser une voile pour les étoiles, c'est aussi apprendre à fabriquer mieux et moins cher des objets du quotidien.