3- La voile solaire

La voile solaire, ou photovoile, est un projet datant de 1970. Il s'agit d'un dispositif permettant à un engin spatial d'être propulsé à l'aide de la pression de radiation émise par les étoiles (et non pas à l'aide des vents solaires dont la poussée est négligeable), comme le fait voilier, grâce au vent. Cette technologie a récemment été expérimentée, avec succès, dans la conception de sondes, telles que IKAROS ou Nanosail-D2, lancées en 2010. Cependant, certains ingénieurs et scientifiques pensent pouvoir appliquer cette technologie aux voyages interstellaires.

 

Vue d'artiste de la voile solaire Nanosail-D2 en orbite autour de la Terre

Qu'est-ce que la pression de radiation ?

La pression de radiation est la pression exercée sur une surface exposée à un rayonnement électromagnétique. Elle utilise le principe selon lequel une action entraîne une réaction. Autrement dit, le fait qu'un corps projette une masse dans une direction repousse ce corps dans la direction opposée. Plus la masse éjectée et sa vitesse sont élevées, plus rapide est le déplacement. Dans le cas de la pression de radiations, il s'agit du transfert de l'impulsion d'un photon lors de sa réflexion sur un corps. En effet, lorsqu'un objet absorbe un photon, puis le "renvoie", cet objet va subir un recul : c'est l'impulsion d'un photon.

Formule de l'impulsion d'un photon

Comment fonctionne la voile solaire ?

Vue d'artiste d'une voile solaire propulsée par un laser

La voile solaire, outre l'utilisation de la force gravitationnelle, est propulsée par la pression de radiation émise par les étoiles, ayant pour origine le transfert de l'impulsion des photons qui viennent percuter sa voile. Par conséquent, plus cette voile est grande et réfléchissante, plus elle renvoie de photons et plus la force de propulsion est grande. En inclinant la voile, on peut modifier la surface offerte à la lumière et ainsi doser la poussée et diriger l'engin. Cependant, cette poussée est très faible. Elle permettrait par exemple à une voile de 800 m de côté et de 2,5 microns d’épaisseur de naviguer, dans notre système solaire, à une vitesse variant de 5 km.s-1 à 25 km.s-1, en fonction de l'éloignement du Soleil. A une telle vitesse, variable en fonction de la distance à l'étoile, la voile solaire atteindrait Gliese 581 en près de 410 000 ans.

Dans l'hypothèse où la voile dispose toujours de la pression de radiation émise par une étoile, sa poussée, aussi faible soit-elle, lui permettrait de déplacer des masses considérables, pouvant être de plusieurs tonnes, sur des distances importantes, ce qui convient parfaitement aux voyages interstellaires.

Ainsi certains scientifiques ont-ils pensé à propulser la voile solaire à l'aide de puissants lasers utilisant l'énergie solaire, l'un étant placé près du soleil (pour profiter de son énergie abondante), l'autre placé près de la Terre. Ces lasers utiliseraient, afin de focaliser le faisceau sur la voile, de gigantesques lentilles de 100 km de diamètre. Ils permettraient ainsi à la voile solaire d'atteindre une vitesse de 60 000 km.s-1 (0.2 c).

Afin d'optimiser la vitesse, la voile solaire doit être la plus légère et fine possible, tout en étant solide et résistante, car plus la masse par unité de surface de la voile est faible, plus l'accélération subie (pour la surface totale) est élevée.

Voyage vers Gliese 581

En navigant à une vitesse d'environ 60 000 km/s, la voile solaire attendrait Gliese 581 en environ 100 ans.

La vie à bord du vaisseau

Un Homme ne peut pas vivre plus de 100 ans (durée du voyage) dans une voile solaire. C’est pourquoi nous avons pensé à la cryonie ou cryogénisation des Hommes qui feront le voyage. Mais la cryonie d’aujourd’hui ne se fait que dans un sens, en effet la médecine d’aujourd’hui n’est pas encore parvenue à ressusciter les êtres cryogénisés.

Une première solution consisterait en la succession de plusieurs générations de colons tout au long de la durée du voyage, mais on ne peut pas emporter une infinité de ressources à bord pour subvenir à "100 ans de besoins humains", notamment en ce qui concerne l'eau, le dioxygène et la nourriture.

Une seconde solution consisterait en la conservation des astronautes à basse température, c'est la cryonie. Cette méthode, en "endormant" ainsi les colons, permettrait de réduire considérablement les quantités de ressources à emporter, et de supprimer le problème de la durée du voyage. Toutefois, la cryonie comporte également des limites :

- lors de la congélation, l’eau contenue dans le cytoplasme des cellules se transforment en cristaux de glace qui endommagent la cellule.

- ces micro-cristaux de glace endommagent notamment les cellules du cerveau, c'est pourquoi on ne pourrait pas réveiller une personne en état de stase.

- les cryoconservateurs utilisées pour éviter l’endommagement des cellules sont très toxiques.

- la science ne permet pas aujourd'hui de cryoniser un être humain. Elle permet seulement de cryoniser de petits animaux ou des membres d'êtres vivants.

De plus, on ne connait pas, les effets d’un voyage de 100 ans dans l’espace sur des humains. La durée maximale d'un séjour dans l'espace d'un astronaute est de 803 jours. Il s'agit d'une mission en station spatiale. Un séjour de cette durée suffit à provoquer chez l'astronaute des effets à court terme tels que la désorientation ou des troubles digestifs bénins. L'adaptation humaine à l'espace et à l'absence de gravité lors de séjours prolongés de 100 ans poserait davantage de problèmes. En effet, en absence de gravité, on constate notamment une perte de la masse musculaire, l'apparition d'ostéoporose et une baisse de l'efficacité du système immunitaire. De même, l'expsition aux radiations cosmiques provoquerait de graves altérations de notre ADN et pourrait causer, à long terme, de graves conséquences telles que la cessité, ou pire encore, la mort.

Les limites du projet

L'espace n'est pas complètement vide. Il est traversé de débris spatiaux (à proximité de la Terre), de jets de particules, de noyaux lourds d'origine solaire (vents solaires), sans oublier les météorites et autres astres. Une simple collision avec une micrométéorite pourrait endommager la voile, extrêmement fine, condamnant ainsi le voyage.

L'intensité lumineuse d'une étoile est divisée par 4 à chaque fois que l'on double la distance. De plus, les étoiles sont espacées, en général, de plusieurs années lumières. Or, la voile solaire nécessite, pour avancer, d'être à proximité d'une étoile. Sur son trajet vers Gliese 581, la voile solaire se retrouvera donc, à un certain moment, dans l'incapacité de se déplacer, à moins que l'on puisse utiliser les lasers. Cependant, cette technologie nécessite des moyens énergétiques et matériels qui dépassent nos compétences.

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