La prochaine voile solaire de la NASA est sur le point d’aller dans l’espace

Tout le monde sait que l’énergie solaire est gratuite et presque illimitée sur Terre. Il en va de même pour les vaisseaux spatiaux opérant dans le système solaire interne. Mais dans l’espace, le Soleil peut faire plus que fournir de l’énergie électrique ; il émet également un flux incessant de vent solaire.

Les voiles solaires peuvent exploiter ce vent et assurer la propulsion des vaisseaux spatiaux. La NASA est sur le point de tester une nouvelle conception de voile solaire qui pourrait rendre les voiles solaires encore plus efficaces.

La pression solaire imprègne tout le système solaire. Ça s’affaiblit avec la distance, mais c’est présent. Cela concerne tous les engins spatiaux, y compris les satellites. Cela affecte considérablement les vols spatiaux de plus longue durée. Un vaisseau spatial en mission vers Mars peut être contraint de dévier de sa trajectoire sur des milliers de kilomètres au cours de son voyage en raison de la pression solaire. La pression affecte également l’orientation d’un vaisseau spatial, et celui-ci est conçu pour y faire face.

Même si elle constitue un obstacle, la pression solaire peut être utilisée à notre avantage.

Quelques engins spatiaux à voile solaire ont été lancés et testés, à commencer par le vaisseau spatial japonais Ikaros en 2010. Ikaros a prouvé que la pression de rayonnement du Soleil sous forme de photons peut être utilisée pour contrôler un vaisseau spatial. Le vaisseau spatial à voile solaire le plus récent est le LightSail 2 de la Planetary Society, lancé en 2019. LightSail 2 a été une mission réussie qui a duré plus de trois ans.

Les engins spatiaux à voile solaire présentent certains avantages par rapport aux autres engins spatiaux. Leurs systèmes de propulsion sont extrêmement légers et ne manquent jamais de carburant. Les vaisseaux spatiaux à voile solaire peuvent effectuer des missions à moindre coût que les autres engins spatiaux et peuvent durer plus longtemps, bien qu’ils aient des limites.

Le concept de voile solaire a désormais fait ses preuves, mais la technologie doit progresser pour qu’elle soit vraiment efficace. Les flèches sont un élément essentiel d’un vaisseau spatial à voile solaire. Les bômes soutiennent le matériel de la voile ; plus ils sont légers et solides, plus le vaisseau spatial sera efficace. Bien que les voiles solaires soient beaucoup plus légères que celles des autres engins spatiaux, le poids des flèches reste un obstacle.

La NASA est sur le point de lancer un nouveau modèle de voile solaire doté d’une meilleure structure de support. Appelé Advanced Composite Solar Sail System (ACS3), il est plus rigide et plus léger que les modèles de flèches précédents. Il est composé de fibre de carbone et de polymères flexibles.

Bien que les voiles solaires présentent de nombreux avantages, elles présentent également un inconvénient majeur. Ils sont lancés sous forme de petits paquets qui doivent être déployés avant de commencer à fonctionner. Cette opération peut être semée d’embûches et induit du stress chez le personnel au sol, pauvre, qui doit attendre et observer si elle réussit.

ACS3 sera lancé avec un CubeSat de douze unités (12U) construit par NanoAvionics. L’objectif principal est de démontrer le déploiement du boom, mais l’équipe ACS3 espère également que la mission prouvera que leur vaisseau spatial à voile solaire fonctionne.

Pour changer de direction, le vaisseau spatial incline ses voiles. Si le déploiement de la flèche réussit, l’équipe ACS3 espère effectuer quelques manœuvres avec le vaisseau spatial, en inclinant les voiles et en modifiant l’orbite du vaisseau spatial. L’objectif est de construire des voiles plus grandes pouvant générer plus de poussée.

La conception de la rampe ACS3 est conçue pour résoudre un problème avec les rampes : elles sont soit lourdes et minces, soit légères et encombrantes.

“Les flèches ont tendance à être soit lourdes et métalliques, soit constituées d’un composite léger avec une conception volumineuse – ce qui ne fonctionne pas bien pour les petits engins spatiaux d’aujourd’hui”, a déclaré Keats Wilkie de la NASA. Wilke est le chercheur principal de l’ACS3 au Langley Research Center. « Les voiles solaires ont besoin de bômes très grandes, stables et légères, capables de se replier de manière compacte. Les bômes de cette voile sont en forme de tube et peuvent être écrasés à plat et roulés comme un ruban à mesurer dans un petit emballage tout en offrant tous les avantages des matériaux composites, comme moins de flexion et de flexion lors des changements de température.

ACS3 sera lancé sur une fusée Electron depuis le complexe de lancement de Rocket Lab en Nouvelle-Zélande. Il se dirigera vers une orbite héliosynchrone à 1 000 km (600 miles) au-dessus de la Terre. Une fois arrivé, le vaisseau spatial déroulera ses perches et déploiera sa voile. Il faudra environ 25 minutes pour déployer la voile, avec une zone de collecte de photons de 80 mètres carrés, soit environ 860 pieds carrés. C’est beaucoup plus grand que Light Sail 2, qui avait une surface de voile de 32 mètres carrés, soit environ 340 pieds carrés.

Au fur et à mesure de son déploiement, les caméras du vaisseau spatial observeront et surveilleront la forme et la symétrie. Les données des manœuvres alimenteront les futures conceptions de voiles.

“Sept mètres de flèches déployables peuvent s’enrouler pour prendre une forme qui tient dans votre main”, a déclaré Alan Rhodes, ingénieur système principal de la mission au centre de recherche Ames de la NASA. “Nous espérons que les nouvelles technologies vérifiées sur ce vaisseau spatial inspireront d’autres personnes à les utiliser d’une manière que nous n’avions même pas envisagée.”

ACS3 fait partie du programme Small Spacecraft Technology de la NASA. Le programme vise à déployer rapidement de petites missions démontrant des capacités uniques. Avec des bômes uniques en composite et en fibre de carbone, le système ACS3 a le potentiel de supporter des voiles aussi grandes que 2 000 mètres carrés, soit environ 21 500 pieds carrés. Cela représente environ la moitié de la superficie d’un terrain de football. (Ou, comme l’appellent à tort nos amis britanniques, un terrain de football.)

Avec de grandes voiles, les types de missions qu’ils peuvent accomplir changent. Bien que les voiles solaires aient jusqu’à présent été de petits modèles de démonstration, le système peut potentiellement alimenter certaines missions scientifiques sérieuses.

« Le Soleil continuera à brûler pendant des milliards d’années, nous disposons donc d’une Source de propulsion illimitée. Au lieu de lancer d’énormes réservoirs de carburant pour les missions futures, nous pouvons lancer des voiles plus grandes qui utilisent le « carburant » déjà disponible », a déclaré Rhodes. “Nous démontrerons un système qui utilise cette ressource abondante pour franchir les prochaines étapes géantes de l’exploration et de la science.”

Les vaisseaux spatiaux à voile solaire n’ont pas la poussée instantanée des systèmes de propulsion chimique ou électrique. Mais la poussée est constante et ne fait jamais vraiment de vagues. Ils peuvent faire des choses que d’autres vaisseaux spatiaux ont du mal à faire, comme prendre des positions uniques qui leur permettent d’étudier le Soleil. Ils peuvent servir de systèmes d’alerte précoce en cas d’éjections de masse coronale et de tempêtes solaires, qui présentent des dangers.

Les nouvelles rampes composites ont également d’autres applications. Puisqu’ils sont si légers, solides et compacts, ils pourraient servir de cadre structurel aux habitats lunaires et martiens. Ils pourraient également être utilisés pour soutenir d’autres structures, comme les systèmes de communication. Si le système fonctionne, qui sait à quelles autres applications il peut servir ?

“Cette technologie stimule l’imagination, réimaginant toute l’idée de la voile et l’appliquant aux voyages spatiaux”, a déclaré Rudy Aquilina, chef de projet de la mission de voile solaire à la NASA Ames. “Démontrer les capacités des voiles solaires et des bômes composites légères est la prochaine étape dans l’utilisation de cette technologie pour inspirer les futures missions.”