historique de la propulsion photonique

Union Pour la Promotion de la Propulsion Photonique
HISTORIQUE DE LA PROPULSION
PHOTONIQUE
Illustrations de Theatri cometici pars posterior. Sive historia cometarum a' diluvio ad A. C. 1665 - Stanislaw
de Lubienietz, auteur de texte, Editeur Apud Franciscum Cuyperum (Amstelodami), 1667.
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. On peut schématiquement structurer cette chronologie en quatre
temps : observations, formalisations, fictions, et missions.
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1°/ Observations :
Alors qu’au XVIIème siècle le débat sur la nature et
l’origine des comètes suscite de nombreuses
spéculations, Képler publie en 1619 De Cometis
Libelli Tres1, 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
De Cometis Libelli Tres, Kepler.
(cf. édition Frisch, VII, 110).2
En elle-même l’observation n’est pas nouvelle,
l’astronome de Charles Quint Pierre Appien3 l’ayant
formulée pour la première fois au siècle précédent
lors des passages de comètes intervenus entre 1531
et 15394. Képler 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
Illustration extraite des
la formation et l’orientation de la queue des
Principes de la philosophie,
Descartes, 1644.
comètes6. 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 Eléments de la philosophie de Newton
publié en 17378.
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2°/ Formalisations
Il faut attendre les travaux théoriques de Maxwell sur l’électromagnétisme,
publiés en 18739, 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 192410. 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 photonique11.
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’ingénier 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 auteurs12 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).
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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
Illustration extraite des « Aventures
Smith, The Lady Who Sailed The Soul,
extraordinaires d’un savant russe »
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.
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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 »
Première publication de la nouvelle
d’A.C.Clarke Sunjammer dans
Boy’s Life.
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 foamfilled 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
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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 Sail 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. Suite à une défaillance de système de contrôle d’attitude de Mariner X
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.
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.
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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.
L’arche de lumière, Jacques Rougerie
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
Consortium13.
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.
Miroir solaire russe Znamya 2
Antenne gonflable Spartan
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 Society14 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
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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 japonais 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 »
Test de déploiement du 9 août 2004
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 réfraction peut être commandé
électriquement.
Ikaros
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 nanosatellites, 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. Ou les projets que
poursuivent
actuellement
l’U3P
–
avec Demoiselle – ou l’université du Surrey
(UK) soutenue par EADS Astrium, avec
Cubsail.
NanoSail-D2
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Notes et références bibliographiques :
1
De Cometis Libelli Tres, Johannes Képler, 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
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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, Developpement, Legacy and
Prospects, Brian Harvey, Springer ed., 2007.
12
En particulier Louis Friedmann, dans Starsailing: Solar Sails and Interstellar
Travel, JohnWiley & Sons,1988.
13
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.
14
La Planetary Society a été créée en 1980 par Carl Sagan, Bruce Murray et Louis
Friedman.
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