La mission Lightsail 2 réussit la première manœuvre en orbite avec une voile solaire

La voile solaire Lightsail 2 déployée en juillet 2019. © Planetary Society
La Planetary Society est parvenue à faire évoluer une voile solaire dans l’espace, après quarante ans de tentatives. Une première mondiale en orbite terrestre, que l’organisme espère un jour voir étendue aux missions interplanétaires.

Dans une lettre adressée à Galilée en 1608, Johannes Kepler imaginait, peut-être le premier, des satellites dotés de voiles solaires. « Donnez vaisseaux et voiles sachant dompter les vents du paradis, et certains iront braver l’immensité du vide », écrivait l’astronome alors âgé de 36 ans. Par là même, il invitait son contemporain italien à paver ensemble la route de ces futurs explorateurs, grâce à leurs connaissances en astronomie.

Quatre siècles plus tard, à l’heure où les fusées savent atterrir, où la propulsion interplanétaire est électrique, la Planetary Society annonce le succès de sa mission Lightsail 2 : la première à gagner de l’altitude en orbite terrestre par la seule force des vents solaires. Initialement déployée à 720 km d’altitude, le 23 juillet 2019, la voile plus fine qu’un cheveu (son épaisseur est seulement de 4,5 microns) a permis de grimper de plus de 2 km dès la première semaine. Le 19 août, le gain d'altitude atteignait 8 km. Au centre de contrôle à San Louis Opispo en Californie, on compte pousser l’engin le plus haut possible jusqu’à la fin du mois d’août, bénéficiant de l’impulsion que les photons solaires transmettent aux corps qu’ils percutent.

Animation montrant le déploiement de Lightsail 2. © Planetary Society

Lightsail 2 a décollé le 25 juin 2019 vers l’espace à bord d’une Falcon Heavy, la fusée la plus puissante du monde actuellement, lancée pour la troisième fois par la société Space X. En qualité de passager annexe, le nanosatellite d’à peine 5 kg est alors libéré dans l’espace. Une semaine plus tard, il libère à son tour Lightsail 2. Les quatre bras télescopiques longs de 4 m chacun pouvaient ensuite s’étendre et la voile s’épanouir.

Le déploiement filmé par la caméra du nanosetallite. © Planetary Society

Selon Bruce Betts, directeur scientifique de la mission, la voile a atteint 90 % de son amplitude maximale. Un test qu’avait déjà accompli LightSail-1 trois ans plus tôt, au terme d’un suspense fait de contacts radio perdus puis rétablis. Mais cette première mission n’avait alors pas tenté de manœuvre et s’était contentée de rentrer et se consumer dans l’atmosphère une semaine plus tard. Car pour faire progresser un navire, encore faut-il pouvoir orienter la voile ! C’est à cela que se livrent en ce moment même les ingénieurs de la Planetary Society présentant la face ou le profil de la voile en direction de notre étoile, lorsque Lightsail 2 approche du périgée ou de l’apogée de son orbite, respectivement.

Applaudissements au centre de contrôle de la mission, une fois le déploiement réussi. © Planetary Society

Néanmoins, la réalité n’est pas aussi lisse que la théorie. La voile ne parvient à suivre les consignes binaires qui lui sont adressées que les deux tiers du temps, selon Bruce Betts. Et si d’un côté, Lightsail 2 parvient à accroître son apogée, son périgée chute au moins autant de l’autre côté de la Terre. Les données montrent que l’altitude moyenne de l’orbite décroît même légèrement.

Un déclin naturel ?

Un comportement relevé par plusieurs astrophysiciens, dont Jonathan McDowell (université d’Harvard), qui ne voit pas dans les données une véritable navigation solaire, mais « un déclin naturel de l’orbite, accompagné d’une simple augmentation de l’excentricité ». L’orbite deviendrait tout bonnement elliptique, sans accroître son altitude moyenne. Néanmoins, la Planetary Society n’impute pas ces conséquences à leur incapacité à orienter la voile. Elle invoque pour cela l’atmosphère résiduelle présente à cette altitude. Certes extrêmement ténue, celle-ci peut suffire à freiner la surface collectrice du vaisseau, qui atteint 32 m².

Pour s’en convaincre, il aura fallu attendre les simulations de Justin Mansell, doctorant à l’université de Purdue, qui a comparé l’évolution actuelle de Lightsail 2 à une descente naturelle en chute libre. En d’autres termes, la voile se maintient, plus qu’elle ne navigue allégrement d’une orbite à l’autre. Un succès mitigé donc, mais un succès quand même. « Maintenir une orbite circulaire tout en gagnant de l’altitude aurait été possible, à condition d’être éclairé en permanence par le Soleil. Une orbite héliosynchrone l’aurait permis », explique Martin Richter, spécialiste des voiles solaires au DLR, le centre spatial allemand.

Or, ce n’est pas le cas de Lightsail 2, qui passe régulièrement dans l’ombre de la Terre. « Quand bien même, c’est pour les missions interplanétaires que la navigation grâce au vent solaire prend tout son sens, avec des voiles allant jusqu’à 100 m de côté ». C’est d’ailleurs dans ce cadre que la mission Ikaros, accompagnant la sonde japonaise Hakatsuki sur le chemin de Vénus, déployait en 2010 une voile solaire de… 196 m² ! Celle-ci avait cette année-là brûlé la priorité à la Planetary Society.

Rallier Jupiter en un temps record

Et si Ikaros demeure encore aujourd’hui un cas isolé de voile solaire, d’autres missions du même type verront le jour. Car au-delà de l’image écologique, voire romantique, de ce mode de propulsion, une variété d’avantages est offerte. Comme l’explique Martin Richter : « Contrairement aux moteurs électriques dont l’accélération est bridée par la vitesse à laquelle les ions sont projetés, une voile solaire n’est limitée que par la vitesse des photons incidents », autrement dit la vitesse de la lumière. Un catamaran cosmique pourrait ainsi rallier Jupiter en une fraction du temps requis de nos jours. Mieux encore, c’est la flexibilité de ce type d’engins que les spécialistes mettent en avant. Au terme d’une mission initiale, et sans risque de panne de carburant, il devient ensuite possible de rediriger le vaisseau vers une nouvelle planète, ou un nouvel astéroïde.

Un tel voyage, la Planetary Society en rêve depuis ses premières heures. Elle fut fondée en 1980 dans le but d’accomplir un rendez-vous spatial avec la comète de Halley — plus difficile qu’un simple survol — lors de son passage en 1986. À cette époque, Bruce Murray dirige le JPL (Jet Propulsion Laboratory) de la Nasa. Il croit dur comme fer aux voiles solaires et apporte tout son soutien à Carl Sagan et à Louis Friedman, véritables promoteurs de ce mode de propulsion. En 1978, un vaisseau à voile pour le moins exotique est conçu pour se rendre vers la comète de Halley. Un « heliogyro », sorte de double hélice d’hélicoptère géante, dotée d’une douzaine de pales longues de… 6 km chacune. L’engin doit être libéré dans l’espace depuis la toute jeune navette spatiale américaine. Mais le projet, trop ambitieux, ne verra pas le jour. La faute aux retards, en plus d’un contexte délicat pour l’exploration spatiale à cette époque. Outre-Atlantique, le Congrès et la Maison blanche n’approuvent aucune nouvelle mission interplanétaire entre 1978 et 1990.

Mini-mission, grands espoirs

Alors que le passage de la comète approche à grands pas, Murray tente une mission plus simple qui ne ferait que survoler Halley. Mais la Nasa préfère réaffecter une autre sonde déjà en orbite héliocentrique. ISEE 3 devient exploratrice de comètes et s’approchera à 28 millions de kilomètres de Halley. Un exploit américain bien maigre par rapport à celui de l’Europe, qui parviendra à photographier l’astre à seulement 600 km de distance.

Les performances de Lightsail 2 sont donc modestes, comparées aux grandes ambitions d’antan. Elles sont toutefois à mettre en perspective, compte tenu du mode de financement de cette mission à bas coût. Dans sa globalité, Lightsail a coûté « seulement » 7 millions de dollars émanant de 50 000 donateurs, issus de 109 pays différents. Un véritable projet de science participative, comme aime à le rappeler le médiatique Bill Nye, alias « the Science Guy », directeur de la Planetary Society. La prochaine voile solaire sera en revanche l’œuvre de la Nasa. NEA Scout doit visiter un astéroïde géocroiseur, partant à bord de la première fusée géante SLS, quand celle-ci sera prête. Pas avant fin 2020.

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