Voile solaire

   Nous nous sommes suffisamment attardés sur les berges de l'océan cosmique. Nous sommes prêts naviguer vers les étoiles - Carl Sagan. 

  1. Historique

   Arthur C. Clarke, écrivain de science fiction anglais, mondialement connu, avec Stanley Kubrick, pour " 2001 l'Odyssée de l'espace ", serait le premier à avoir eu l'idée d'une voile solaire dans son recueil de 18 petites histoires  " The Wind From the Sun - Le vent venu du Soleil " écrites entre 1962 et 1972. Après la seconde guerre mondiale, il entra au King's College de Londres et sortit avec les honneurs, en 1948, diplômé en physique et mathématiques. Il écrivit sa première nouvelle " Prélude à l'espace " en 3 semaines en 1947. De 1949 à 1951, il était éditeur assistant de résumés de physique.

  Pourtant dans les années 20, Konstantin Tsiolkovsky et Fridrickh Arturovich Tsander furent les premiers scientifiques à étudier et écrire sur les voiles solaires pour des voyages interplanétaires.  

  Au cours des années 70, on commença à parler d'une course Terre-Lune avec " voiliers solaires" . Puis, dans les années 80, Georges Bush lança une idée pour la réalisation d'une course Terre-Mars avec quelques équipes (Russes, Américains, Japonais, Israéliens et les européens). La difficulté ne fut pas technique, mais financière. Au départ, le lancement était prévu pour 1992, afin de fêter les 500 ans de la découverte de l' Amérique. Mais l'argent manqua.

  Le projet tient toujours et l'expérience Cosmos 1 redonne de l'espoir à ceux qui croit en ce projet ambitieux. Le jeu consiste à faire effectuer un tour de la Lune  par la voile de chaque équipe. C'est le vent solaire et les radiations qui seront le moteur, par l'utilisation de la pression exercée sur la voile. Temps estimé pour atteindre la Lune, 1 an. Les " voiliers " tourneront autour de la Terre en faisant une boucle de plus en plus large au fur et mesure que la voile prendrait de la vitesse pour finalement lors de la dernière boucle englober la Lune. Le gagnant sera celui qui passera en premier dernier elle. Cela rappelle les orbites décrites par le satellite européen Smart, qui atteignit la Lune en environ 1 an, grâce à son moteur ionique.

    La voile pourrait être en mylar ou autre, de 10 µm d' épaisseur recouvert de 1 µm d'aluminium. Ses dimensions feraient 200 m de long sur 10 m de large pour une masse totale estimée à 150 kg. La voile sera orientable pour bénéficier de la pression maximale des radiations solaires.

  Le calcul montre qu' avec une surface de 1 m² et une masse de 1 kg, il est possible d 'obtenir une accélération de 1 ms-2 pendant des périodes infiniment longues. Les équipes resteront sur Terre pour piloter leur voile. Le vainqueur sera celui qui fera revenir sa voile, le premier. Le gain de cette course sera la maîtrise de la technologie pour arriver à un tel résultat.

  1. Premières voiles

   C'est le 2 mai 1999 que fut lancée la première voile solaire de l'histoire, Znamya, à bord d'un vaisseau russe Progress M-15. Le déploiement échoua et le projet fut abandonné.


 
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   L'ISAS (Institut des sciences aérospatial japonais) a déployé pour la première fois au monde, le 9 août 2004, une voile solaire. Elle fut lancée avec une petite fusée S-310-34 du Uchinoura Space Center à Kagoshima.

   La fusée S-310 emportait deux systèmes constitués de films de 7,5 µm d'épaisseur. Un premier déploiement d'un système en forme de trèfle a commencé 100 secondes après le décollage à 122 kilomètres d'altitude, suivi du déploiement d'un système de type ventilateur à 169 kilomètres d'altitude et 230 secondes après le décollage. Les 2 sortes de déploiement furent couronnées de succès et la fusée retomba en mer 400 s après son décollage. 


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 Source: JAXA News Release
Znamya: http://www.space-frontier.org/Events/Znamya/

  1. Cosmos 1

Credit: Michael Carroll, The Planetary Society
http://planetary.org/solarsail/images/
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   Mais un autre projet a vu le jour dans les années 90. La Planetary Society a Pasadena (fondée par Carl Sagan) a essayé le déploiement d'une voile solaire, lors d'un vol suborbital. Cette expérience fut baptisée Cosmos-1, est réalisée sur fonds privés. La voile solaire fut construite par le centre Babakine à Khimki près de Moscou en coordination avec la marine russe et le Makeev Rocket Design Center. Le tir fut effectué par un missile naval russe SS-N-18, à 3 étages, rebaptisé Volna, à partir d'un sous-marin en plongée. Il avait été programmé pour le 20 juillet 2001. L'essai fut un échec le lanceur n'ayant pas fonctionné correctement. C'est une belle reconversion d'un vecteur de destruction nucléaire.

  Ce type de propulsion est aussi étudié par l'agence spatiale allemande (DLR) dans le cadre d'un projet européen de l'Esa. La Nasa n'est pas en reste et elle envisage de l'utiliser sur la mission Space Technology-7 en 2005.

  Mais la Planetary Society n'a pas baissé les bras et le 2e exemplaire, a été lancé le 21 juin 2005. Le lancement a eu lieu dans la mer de Barents au-delà du cercle arctique, à partir du sous-marin Borisoglebsk à 19:46 TU. Hélas, la voile fut perdue en orbite, les stations de poursuite ne l'ayant pas détectée après le lancement. Les médias russes parlent d'un manque de puissance du premier étage mettant la voile sur une orbite trop basse.

  Beaucoup de personnes se demandent pourquoi a-t-on utilisé un missile dans un sous-marin russe. Tout simplement parce que c'est la solution la moins onéreuse. Selon les accords de désarmement passés entre américains et russes, des centaines de missiles doivent être détruits. Aussi, l'idée de s'en servir pour réaliser des vols spatiaux à moindre frais à fait son chemin. N'oublions pas que Planetary Society est une société privée dont le financement est assuré par des dons. Donc, les organisateurs traquent la moindre dépense superflus, pour un maximum de résultats.


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  1. Raisons de l'échec

   Les mesures ont montré que le premier étage de la fusée Volna, alimenté en tétroxyde d'azote et en diméthylehydrazine asymétrique (UDMH)  n'avait pas fonctionné pendant les 100 secondes prévues, mais seulement 82,86 secondes. De plus la séparation entre le premier et le deuxième étage ne s'est pas produite. Les officiels russes considèrent que des problèmes de moteur furent provoqués par " une dégradation critique en fonctionnement des possibilités de la turbopompe ".

   Par conséquent, la sonde n'a jamais eu la chance de réaliser sa mise en orbite et le système de commande du propulseur a avorté le lancement environ 160 secondes après l'allumage du premier étage. " Ils n'ont fait part d'aucune donnée télémétrique  concluant que les étages de la fusée ne se sont jamais séparés " a déclaré Louis Friedman chef de projet de Cosmos 1 et directeur exécutif  de la Planetary Society.

   En conclusion, la fusée et la charge payante sont tombées dans la mer de Barentz à 500 km à l'est de la zone de tir, non loin de Mourmansk.

  1. Pression du rayonnement solaire

   Dans les années 1870 le physicien écossais James Clerk Maxwell découvre que la lumière consiste en paquets d'énergie composés de très petites particules que nous connaissons aujourd'hui sous le nom de photons. 

   Bien que les photons n'aient pas de masse, ils sont considérés comme avoir un moment d'inertie. Selon la loi de la conservation d'énergie, le photon perd une partie de son énergie sur la voile pendant qu'il rebondit, donnant à la voile une poussée, par réaction, dans la direction opposée, si la surface réfléchissante est blanche.

   Sans vouloir entrer dans des calculs compliqués, voici un petit exercice qui permettra à la plupart d'entre vous de comprendre la relation qui existe entre le rayonnement solaire (ne pas confondre avec le vent solaire) et le déplacement d'un objet ayant une certaine surface exposée à ce rayonnement.

   Le soleil libère chaque seconde une énergie phénoménale puisque la puissance totale est de l'ordre de: A = 3,9.1023 kW. Au niveau de la Terre cela se traduit par un éclairement E = A/4pD2, ou D = 149 596.106  km (1 UA) est la distance Terre - Soleil, ce qui donne E = 1 353 W/m2. La pression p correspondant à l'éclairement E s'écrit: p = E/c, ou c = 3.108 m/s est la vitesse de la lumière. Cela donne p = 4,5.10-6 pascals (1 pascal = 1 newton par m2 ). C'est très faible mais suffisant pour créer une vraie force sur une grande surface.

  Il convient d'ouvrir une parenthèse. Vous vous en doutez, le revêtement est important. A priori, nous serions tenter de choisir un revêtement noir, parce qu'il absorbe. Ce n'est pas celui qu'il faut choisir. Le revêtement blanc est meilleur, car il permet de doubler la force. Comment ? Tout simplement lorsque le rayonnement frappe la surface, il crée une force d'action sur la surface, mais en plus, le blanc le réfléchi (nous supposons une réflexion de 100%) en créant une force de réaction qui s'additionne avec la force d'action. Ainsi, c'est sur une pression 2p = 9.10-6 pa que nous pouvons compter.

  Supposons maintenant que la ligne de départ se trouve à 90° par rapport à l'axe Terre - Soleil, sur une orbite géosynchrone. A chaque instant, le voilier subit la gravité terrestre ainsi que la force du rayonnement solaire. Pour faciliter les calculs, nous ne tiendrons pas compte de la Lune, bien que sa présence se fasse sentir au fur et à mesure de l'éloignement du domaine terrestre.

  L'orbite circulaire (en réalité l'orbite n'est pas parfaitement circulaire) sur laquelle sera placée la voile a un rayon:
 ro = rterre + altitude = 6 376 km + 35 874 km = 42 250 km. La ligne de départ étant à 90°, la pression du rayonnement solaire sera maximale, la voile étant perpendiculaire au flux lumineux.

   Avant le déploiement de la voile, le satellite aura une vitesse tangentielle de 3 km/s d'après l'équation:

  Nous choisissons une voile de façon à ce que l'accélération maximale soit de 0,001 g ou 0,00981 m/s-2. Si nous supposons que le satellite possède une masse de 2 000 kg (1 000 kg pour la structure et 1 000 kg pour la voile). Nous obtiendrons, avec l'accélération amax , une surface de:

 S = m.amax/2p  a 2 000 x 0,00981/9.10-6 = 2 km2 ou 1,4 km x 1,4 km

  Si nous prenons une voile constitué de mylar avec une épaisseur de 1 µm (0,001 mm) cela donnera une masse volumique de 470 kg/m3 valeur tout à plausible avec les moyens actuels.

Source: extrait de la course de voiliers solaires de Thierry Alhalel dans l'Astronomie de mai 2005

Pour en savoir plus, rendez-vous sur le site:

http://artemmis.univ-mrs.fr/cybermeca/Formcont/mecaspa/VOIL_SOL/ind_voil.htm

 

  1. La voile
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Cosmos 1 en vol. Credit: Rick Sternbach, The Planetary Society ©
http://www.planetary.org/solarsail/images/
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   Cosmos 1, le premier voilier solaire du monde, est un projet de Planetary Society, commandité par Cosmos Studios à Ithaca (New-York). La qualification de tous les systèmes de vol a été réalisée par l'Institut de Recherche Spatiale de Moscou (IKI), ainsi que les tests des logiciels de contrôle de vol. L'ensemble a été expédié chez NPO Lavochkin, une des plus importantes société aérospatiale russe, qui procéda à l'intégration sur le missile. Ensuite l'ensemble fut acheminé vers Severmorsk (Mourmansk) pour être mis en place dans un sous-marin. Le Dr Louis Friedman est le directeur exécutif et le directeur du projet de Planetary Society de Cosmos 1. 

   Le but de cette mission est d'étudier la faisabilité du principe afin de mettre au point les techniques de pilotage d'un voilier solaire. Actuellement, c'est une technique sérieusement envisagée pour effectuer des vols interstellaires, c'est-à-dire vers les étoiles. N'oublions pas que nos voisines immédiates sont dans un rayon inférieur à 10 années-lumière, soit 100 000 milliards de km. C'est un voyage étalé sur plusieurs générations. Mais gardons à l'esprit qu'à 160 km/s, avec nos moyens actuels, nous ne pouvons qu’envoyer une plume, en 3 millions d’années, vers Proxima du Centaure (4 al), avec une fusée dont la masse aura presque le poids de la Terre ( 1.1024 kg ) .

Photo: Planetary Society
http://www.newscientist.com/data
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   Lancée depuis le sous-marin à 20 km des côtes, la voile, d'une masse totale de 100 kg, devait être larguée à 835 km sur une orbite circulaire inclinée à 80°. Elle devait être stabilisée par spin, tournant sur elle-même à raison de 22,5 t/mn. Pendant les 30 ou 40 premières minutes de vol, Cosmos 1 devait être alimenté avec ses batteries. A partir de 37 mn, les panneaux solaires se seraient déployées, afin d'alimenter les instruments pour le reste de la mission. Ce n'est qu'au bout de quelques jours, après le tests des systèmes, que les voiles auraient été déployées. 4 seulement l'auraient été et les 4 autres par la suite si tout avait été correct. Chacune des 8 " pétales " mesure 15 m de longueur et couvre une surface de 600 m2. Elles sont constituées de mylar aluminisé de 5 µm d'épaisseur (environ ¼ de l'épaisseur d'un sac poubelle).

   Initialement la voile solaire devait garder une position fixe  afin que les contrôleurs de vol puissent étudier son comportement. Après quelques jours, l'orientation des voiles aurait été changée entre un pointage perpendiculaire
au Soleil et un programme défini. Un moteur électrique alimenté par les panneaux solaires aurait orienté les voiles  comme les pales du rotor d'un hélicoptère afin de changer leur angle par rapport au Soleil. La pression de la lumière sur les voiles aurait créé une petite force causant une accélération minime (50 µm/s2), qui aurait modifié, d'une manière infime, l'orbite de Cosmos 1.

  A bord, 2 caméras avait été installées: une de Malin Space Science System et l'autre russe pour filmer la Terre et le comportement de la voile.

   Mais au bout d'un mois, le mylar qui constitue les voiles, se serait dégradé. Les supports gonflables des voiles auraient commencer à perdre leur pression et la mission aurait été terminée. Si son orbite avait été suffisamment modifiée, Cosmos 1 se serait satelliser autour de la Terre pour toujours, sinon il aurait brûlé dans l'atmosphère.

  Si cela avait été un succès, les concepteurs disent que la voile aurait été visible à l'oeil nu sur une grande partie du globe. 

 

Complément d'informations:

Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique : http://www.u3p.net

Planetary Society de Cosmos 1: http://www.planetary.org/solarsail/

http://www.ugcs.caltech.edu/~diedrich/solarsails/intro/sailing.txt

  1. VENT SOLAIRE

    Afin d'éclairer certains d'entre vous, voici une explication sur le vent solaire pour ne pas le confondre avec le rayonnement dont se serviront les voiliers solaires. Le vent solaire agit sur la voile d'une façon très modeste de 100 à 10 000 fois moins, mais il dévie tout de même les poussières de la queue cométaire.

 un flux de matière émane du Soleil en permanence

  En l'absence d'une contre-pression venue de l'extérieur, un flux de matière émane du Soleil en permanence. C'est le vent solaire chargé de particules ( principalement de protons et d'électrons ) de grandes énergies (quelques milliers d' eV) et en période agitée cela peut atteindre des MeV (millions eV) jusqu'a des GeV (milliards eV). Ceci fut atteint en 1989. Le phénomène peut durer des dizaines d'heures. Le vent solaire qui remplit  l'espace autour du soleil, se propage à environ 750 km/s. Ce vent rapide vient des régions froides de l'atmosphère appelées "trous coronaux", habituellement situés près de pôles. Les trous coronaux sont des régions de champs magnétiques ouverts, où les lignes de force sont pratiquement parallèles. Des courants qui s'échappent du champ magnétique, en forme de nid d'abeilles et qui entoure les granulations de la surface, ont été observés par Soho. Des gaz, expulsés en tornades géantes et observées dans les régions polaires, rejoignent probablement le vent solaire. Soho a aussi observé des ions (atomes chargés), à de plus grandes distances de la surface, accélérés par les ondes magnétiques. Un vent solaire plus lent, environ 350 km/s, est fréquent dans la banlieue terrestre. Il émerge des régions équatoriales du soleil, là, où les boucles magnétiques freinent l'évasion des gaz. Le puissant champ magnétique solaire l'emmène ensuite le long des lignes de force qui s'étendent bien au-delà de la Terre.  

   Parmi les particules du vent solaire se trouvent celles des noyaux lourds, tel que le fer. Bien que 10 000 fois moins abondants que l'hydrogène, ils contribuent à 25% de la dose totale. Ceci est dû aux nombres de protons contenus dans ces noyaux. Plus il est élevé, plus l'énergie est grande. Plus on s'éloigne du Soleil, plus la pression des couches supérieures diminuent et plus le flux de matière progresse en suivant les lignes de force du champ magnétique. A 10 millions de km, sa vitesse atteint plusieurs centaines de km par seconde. Au voisinage de la Terre, la vitesse est de 400 à 700 km/s pour une température de 50 000 à 500 000 °K, mais, avec une densité très faible de l'ordre de  1 dizaine d'atomes d'Hydrogène par cm³. Cela représente pour le Soleil une perte de 1 million de tonne d'hydrogène par seconde. A ce rythme, à la fin de sa vie, il aura perdu 1 milliardième de sa masse. C'est très peu.

  Le vent solaire est d'autant plus intense que le Soleil est actif. A ce moment, la température de la haute atmosphère solaire est plus élevée ( 5 millions °K contre 2 millions °K en période de Soleil calme) . La vitesse passe ainsi de 200 km/s à 700 km/s et le flux peut être 100 fois supérieur. Ce vent n' atteint pas la Terre. Il est intercepté par la ceinture magnétique qui nous entoure, elle-même issue du champ magnétique terrestre et par l'atmosphère. Naturellement aux pôles terrestres la protection diminue beaucoup et la présence des particules issues du Soleil se manifeste par des aurores polaires.

 

aurore à Fairbanks, Alaska
31/3/01 - LeRoy Zimmerman, Fairbanks, Alaska

  La mince couche d'air qui nous sépare(10 km) équivaut à un mur d'eau de 10 m d'épaisseur. A elles deux, elles divisent par 4 000, la dose que nous devrions recevoir.  Mais le plus gros problème viendra des séjours prolongés des astronautes dans l'espace. On se souvient que lors des missions lunaires, ils n'étaient pas protégés. Il faudrait des scaphandres énormes leur interdisant tout mouvement. Les voyages martiens seront beaucoup plus menacés car les astronautes resteront des années exposés au vent solaire. Mars n'a ni champ magnétique uniformément réparti, ni atmosphère dense.

le vent solaire déforme la magnétosphère

http://science.nasa.gov/

   Lors de son passage dans les parages de notre planète, il déforme la magnétosphère et il en résulte une plus forte densité de l'atmosphère supérieure, avec , très certainement, des répercussions dans les basses couches. Il emmène avec lui le champ magnétique solaire, qui, au voisinage de la Terre, n'est plus que de 1/10 000 à 1/100 000 de gauss.

   La couronne dans son expansion ne pouvant pas tirer les champs très concentrés des régions polaires, ce sont les champs ouverts associés à la présence de trous coronaux qui sont favorables à la dissipation du vent solaire.

  Par contre, il représente un danger pour les astronautes, mis en évidence lors des voyages Terre - Lune. Les astronautes américains furent étonnés de voir des lumières dans l'espace et derrière la Lune. Après des recherches, ils se sont aperçus que ces lumières étaient aussi visibles lorsque les yeux étaient fermés. En réalité, les rayons cosmiques, issus du vent solaire et des autres étoiles, pénétraient les tissus de leurs yeux et frappés le nerf optique. A la longue, ils peuvent occasionner des lésions.

  Sur la Lune, le paysage est érodé par le vent solaire. Les particules labourent le sol, comme la pluie et le vent sur la Terre. C'est pour cela que le paysage lunaire ressemble au paysage vosgien.

  Le vent solaire met 2 jours pour parcourir les 150 millions de km qui nous séparent du Soleil. Afin de nous  avertir suffisamment tôt de l'arrivée des particules énergétiques, pouvant entraînés des perturbations importantes sur la Terre, des satellites sont placés en observations à des millions de km de la Terre. Cela laisse quelques heures aux hommes pour réagir. Actuellement, le satellite Soho effectue cette mission. Il est en veille au point Lagrange L1. Situé à 1,5 millions de km de la Terre, c'est l'endroit où l'attraction terrestre contrebalance l' attraction solaire. C'est un point d'équilibre qui nécessite peu d'énergie pour y rester ou le quitter.

    C'est au minimum solaire que les rayons cosmiques pénètrent le plus profondément dans l'atmosphère terrestre. Ils y réagissent alors avec les atomes de carbone, pour le transformer en un isotope radio-actif : le carbone 14. Il est alors absorbé par les végétaux, par la photosynthèse, et se retrouve ainsi dans les anneaux de croissance des plantes, où il peut être détecté et dosé. Il est facile de dater par cette méthode, jusqu'à 4 000 avant J.C. Mais des techniques modernes permettent d'aller jusqu'à 10 fois plus. Pour mémoire sa période de  mi-vie est de 5 730 ans.

comète Hale-Bopp

C'est en regardant  la queue des comètes (ci-contre Hale-Bopp) que nous pouvons voir les effets du vent solaire. Celles-ci présentent 2 queues, une courbée, l' autre droite. Celle qui est courbée est en sorte " le manche à air " du vent solaire. Elle est toujours opposée au soleil par suite de la pression exercée par les particules issues du Soleil.

 

   

Voir aussi le moulin à lumière: http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/LightMill/light-mill.html

 

 

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