Une voile solaire est un moyen de propulser un vaisseau spatial en utilisant la pression des gaz légers et à grande vitesse (également appelés pression de la lumière solaire) émis par une étoile. Examinons de plus près son appareil.
L'utilisation d'une voile signifie un voyage dans l'espace à faible coût combiné à une durée de vie prolongée. En raison du manque de nombreuses pièces mobiles, ainsi que de la nécessité d'utiliser du propulseur, un tel navire est potentiellement réutilisable pour la livraison de charges utiles. Les noms de voile de lumière ou de photon sont aussi parfois utilisés.
Histoire conceptuelle
Johannes Kepler a un jour remarqué que la queue d'une comète regarde loin du Soleil, et a suggéré que c'est l'étoile qui produit cet effet. Dans une lettre à Galilée en 1610, il écrit: « Fournissez au navire une voile adaptée à la brise solaire, et il y en aura qui oseront explorer ce vide. Peut-être, avec ces mots, faisait-il précisément référence au phénomène de la "queue de comète", bien que des publications sur ce sujet soient apparues plusieurs années plus tard.
James K. Maxwell dans les années 60 du XIXe siècle a publié la théorie du champ électromagnétique etrayonnement, dans lequel il a montré que la lumière a une quantité de mouvement et peut donc exercer une pression sur les objets. Les équations de Maxwell fournissent la base théorique de la locomotion à pression légère. Par conséquent, dès 1864, il était connu à l'intérieur et à l'extérieur de la communauté des physiciens que la lumière du soleil transporte une impulsion qui exerce une pression sur les objets.
Premièrement, Pyotr Lebedev a démontré expérimentalement la pression de la lumière en 1899, puis Ernest Nichols et Gordon Hull ont mené une expérience indépendante similaire en 1901 en utilisant le radiomètre Nichols.
Albert Einstein a introduit une formulation différente, reconnaissant l'équivalence de la masse et de l'énergie. Maintenant, nous pouvons simplement écrire p=E/c comme le rapport entre la quantité de mouvement, l'énergie et la vitesse de la lumière.
Svante Arrhenius a prédit en 1908 la possibilité d'une pression du rayonnement solaire transportant des spores vivantes sur des distances interstellaires et, par conséquent, le concept de panspermie. Il a été le premier scientifique à affirmer que la lumière pouvait déplacer des objets entre les étoiles.
Friedrich Zander a publié un article comprenant une analyse technique de la voile solaire. Il a écrit sur "l'utilisation d'immenses et très fines feuilles de miroirs" et "la pression de la lumière du soleil pour atteindre des vitesses cosmiques".
Les premiers projets officiels de développement de cette technologie ont commencé en 1976 au Jet Propulsion Laboratory pour une proposition de mission de rendez-vous avec la comète de Halley.
Comment fonctionne une voile solaire
La lumière affecte tous les véhicules en orbite autour de la planète ou dansespace interplanétaire. Par exemple, un vaisseau spatial conventionnel à destination de Mars serait à plus de 1 000 km du Soleil. Ces effets ont été pris en compte dans la planification des trajectoires de voyage dans l'espace depuis le tout premier vaisseau spatial interplanétaire dans les années 1960. Le rayonnement affecte également la position du véhicule, et ce facteur doit être pris en compte dans la conception du navire. La force sur la voile solaire est de 1 newton ou moins.
L'utilisation de cette technologie est pratique dans les orbites interstellaires, où toute action est effectuée à un rythme lent. Le vecteur de force de la voile légère est orienté le long de la ligne du soleil, ce qui augmente l'énergie et le moment cinétique de l'orbite, ce qui éloigne le navire du soleil. Pour changer l'inclinaison de l'orbite, le vecteur force est hors du plan du vecteur vitesse.
Contrôle de position
Le système de contrôle d'attitude (ACS) d'un vaisseau spatial est nécessaire pour atteindre et changer la position souhaitée lors d'un voyage dans l'univers. La position de consigne de l'appareil change très lentement, souvent moins d'un degré par jour dans l'espace interplanétaire. Ce processus se produit beaucoup plus rapidement dans les orbites des planètes. Le système de contrôle d'un véhicule utilisant une voile solaire doit répondre à toutes les exigences d'orientation.
Le contrôle est obtenu par un décalage relatif entre le centre de pression du vaisseau et son centre de masse. Ceci peut être réalisé avec des aubes de contrôle, en déplaçant des voiles individuelles, en déplaçant une masse de contrôle ou en changeant le réflecteurcapacités.
La position debout nécessite que l'ACS maintienne le couple net à zéro. Le moment de force de la voile n'est pas constant le long de la trajectoire. Change avec la distance par rapport au soleil et l'angle, ce qui corrige l'arbre de la voile et dévie certains éléments de la structure de support, entraînant des changements de force et de couple.
Restrictions
La voile solaire ne pourra pas fonctionner à une altitude inférieure à 800 km de la Terre, car jusqu'à cette distance, la force de résistance de l'air dépasse la force de pression légère. Autrement dit, l'influence de la pression solaire est faiblement perceptible et cela ne fonctionnera tout simplement pas. Le taux de giration du voilier doit être compatible avec l'orbite, ce qui n'est généralement un problème que pour les configurations de disque tournant.
La température de fonctionnement dépend de la distance solaire, de l'angle, de la réflectivité et des radiateurs avant et arrière. La voile ne peut être utilisée que là où la température est maintenue dans ses limites matérielles. Il peut généralement être utilisé assez près du soleil, autour de 0,25 UA, si le navire est soigneusement conçu pour ces conditions.
Configuration
Eric Drexler a fabriqué un prototype de voile solaire à partir d'un matériau spécial. Il s'agit d'un cadre avec un panneau en film mince d'aluminium d'une épaisseur de 30 à 100 nanomètres. La voile tourne et doit être constamment sous pression. Ce type de structure a une surface par unité de masse élevée et doncaccélération "cinquante fois plus rapide" que celles basées sur des films plastiques déployables. C'est une voile carrée avec des mâts et des lignes jumelées sur le côté sombre de la voile. Quatre mâts entrecroisés et un perpendiculaire au centre pour tenir les câbles.
Conception électronique
Pekka Janhunen a inventé la voile électrique. Mécaniquement, il n'a pas grand-chose à voir avec le design d'éclairage traditionnel. Les voiles sont remplacées par des câbles conducteurs redressés (fils) disposés radialement autour du navire. Ils créent un champ électrique. Il s'étend sur plusieurs dizaines de mètres dans le plasma du vent solaire environnant. Les électrons solaires sont réfléchis par le champ électrique (comme les photons sur une voile solaire traditionnelle). Le navire peut être dirigé en régulant la charge électrique des fils. La voile électrique a 50 à 100 fils redressés, d'environ 20 km de long.
De quoi est-il fait ?
Le matériau développé pour la voile solaire de Drexler est un mince film d'aluminium de 0,1 micromètre d'épaisseur. Comme prévu, il a démontré une résistance et une fiabilité suffisantes pour une utilisation dans l'espace, mais pas pour le pliage, le lancement et le déploiement.
Le matériau le plus courant dans les conceptions modernes est le film d'aluminium "Kapton" de 2 microns. Il résiste aux hautes températures proches du Soleil et est suffisamment solide.
Il y avait quelques théoriesdes spéculations sur l'application de techniques de fabrication moléculaire pour créer une voile avancée, solide et ultra-légère basée sur des grilles de tissu de nanotubes où les "espaces" tissés sont inférieurs à la moitié de la longueur d'onde de la lumière. Un tel matériau n'a été créé qu'en laboratoire et les moyens de fabrication à l'échelle industrielle ne sont pas encore disponibles.
La voile légère ouvre de belles perspectives pour les voyages interstellaires. Bien sûr, il y a encore beaucoup de questions et de problèmes auxquels il faudra faire face avant que voyager à travers l'univers avec une telle conception de vaisseau spatial ne devienne une chose courante pour l'humanité.
