Les voiles solaires : naviguer avec la lumière, d'IKAROS à ACS3
Ni moteur ni carburant : une membrane plus fine qu'un cheveu, poussée par la lumière du Soleil. En quatorze ans, trois missions ont montré que l'idée fonctionne vraiment.
La lumière n'a pas de masse, mais elle transporte une quantité de mouvement. Quand elle se réfléchit sur un miroir, elle lui donne une toute petite poussée. Additionner ces chocs innombrables sur une très grande surface très légère : c'est l'idée de la voile solaire, un engin qui accélère sans rien consommer, aussi longtemps que le Soleil l'éclaire. Longtemps restée sur le papier, elle a été démontrée dans l'espace par trois missions, en 2010, 2019 et 2024.
Une poussée minuscule, mais qui ne s'arrête jamais
À la distance de la Terre, le Soleil apporte environ 1 360 watts sur chaque mètre carré. Sur une voile parfaitement réfléchissante tournée face à lui, la lumière exerce une pression d'environ 9 millionièmes de newton par mètre carré. Pour une voile de 80 m², la force totale est inférieure au millième de newton : à peine le poids de trois grains de riz.
C'est très peu, mais cette poussée est gratuite et continue. Accumulée pendant des semaines, elle finit par modifier sensiblement une orbite. Deux conditions sont indispensables : une voile immense par rapport à sa masse, donc des matériaux extraordinairement fins, et la possibilité de l'orienter. Comme un voilier qui tire des bords, une voile inclinée par rapport au Soleil peut accélérer ou ralentir sur son orbite, et donc s'éloigner du Soleil ou s'en rapprocher.
IKAROS, la pionnière japonaise (2010)
La première voile solaire à avoir navigué entre les planètes est japonaise. IKAROS, de l'agence spatiale japonaise JAXA, décolle le 21 mai 2010 sur une fusée H-IIA, en même temps que la sonde Akatsuki destinée à Vénus. Sa voile est un carré de 14 mètres de côté (20 mètres en diagonale) taillé dans un film de polyimide de 7,5 micromètres d'épaisseur, une dizaine de fois plus fin qu'un cheveu.
IKAROS innove aussi par ses équipements. Des cellules solaires en couche mince, collées sur la membrane, produisent de l'électricité. Des panneaux à cristaux liquides, dont on peut changer la réflectivité, permettent d'orienter l'engin sans carburant : en jouant sur la part de lumière réfléchie par les bords de la voile, on dose la poussée de part et d'autre. Selon la JAXA, c'est le premier engin à avoir combiné propulsion par la lumière et production d'électricité par couche mince au cours d'un voyage interplanétaire.
LightSail 2, la petite voile en orbite terrestre (2019)
Lancé le 25 juin 2019 et financé par plus de 50 000 donateurs de l'association américaine The Planetary Society, LightSail 2 est un petit satellite de la taille d'une miche de pain. Une fois en orbite, vers 720 km d'altitude, il déploie une voile de 32 m², à peu près la surface d'un ring de boxe.
En orientant sa voile au fil de chaque révolution, l'équipe a montré qu'un satellite de quelques kilogrammes peut utiliser la lumière pour modifier son orbite et ralentir sa chute due au frottement de l'atmosphère résiduelle. Après près de trois ans et demi et environ 18 000 révolutions, LightSail 2 est rentré dans l'atmosphère le 17 novembre 2022.
ACS3, la NASA teste des mâts en composite (2024)
La NASA a pris le relais avec ACS3 (Advanced Composite Solar Sail System), lancé en avril 2024 par une fusée Electron depuis la Nouvelle-Zélande. La voile, d'environ 9 mètres de côté, couvre quelque 80 m². L'enjeu principal n'était pas la membrane mais sa charpente : quatre mâts en composite à fibres de carbone, longs de 7 mètres, enroulés pendant le lancement puis déroulés en orbite. D'après la NASA, ils sont 75 % plus légers que des mâts métalliques équivalents.
La voile a été déployée à la fin du mois d'août 2024, ce qui remplissait l'objectif principal de la mission. Les premières images ont montré qu'un des mâts s'était légèrement courbé en tendant la voile, une leçon précieuse pour les voiles plus grandes, que l'équipe a analysée dans un bilan présenté en 2026.
Et sur Terre ?
Une voile peut tenir des positions impossibles pour un satellite ordinaire, qui devrait brûler sans cesse du carburant pour s'y maintenir. Placée entre la Terre et le Soleil, un peu plus près du Soleil que le point d'équilibre habituel des observatoires solaires, elle verrait arriver plus tôt les tempêtes solaires qui menacent satellites et réseaux électriques. C'est l'objet de la marche A-SPC-04, qui vise aussi à apprendre à piloter de grandes voiles pendant des années. Plus généralement, les membranes ultrafines et les mâts enroulables relèvent du même savoir-faire que les grandes antennes et structures déployables.
Pour aller vers Alpha du Centaure, la lumière du Soleil ne suffit pas : elle faiblit vite quand on s'en éloigne. L'idée est alors de la remplacer par un faisceau laser envoyé depuis la Terre, et de construire des voiles encore plus légères, faites de matériaux nanostructurés capables de réfléchir presque toute la lumière sans fondre (voir la marche A-SPC-01). Les trois pionnières ont validé l'essentiel : déployer, orienter, naviguer. Reste à changer d'échelle, de quelques dizaines de mètres carrés à des voiles pilotées avec une précision inédite sous un faisceau plusieurs millions de fois plus intense que la lumière du Soleil.