Dans l’immensité silencieuse de l’espace, un satellite pas plus gros qu’une miche de pain orbite autour de la planète bleue. Quelque 720 km plus bas ce mardi 23 juillet 2019, des ingénieurs de la Planetary Society pressent un bouton assis dans un complexe en Californie. Il actionne un mécanisme dans le petit CubeSat, qui déploie soudain une voile argentée de 32 m² au-dessus de lui. Cette voile faite de mylar, un film de polyester très fin, a pour fonction de récolter l’énergie solaire afin de naviguer dans le cosmos, propulsée grâce à la lumière du Soleil. D’où le nom de cette étonnante coquille de noix spatiale : LightSail 2.

« Je suis très excité, tout s’est déroulé à merveille », déclare le Dr Dave Spencer, professeur d’aéronautique américain en charge de la mission LightSail. « Il s’agit d’une voile solaire bien plus agile que la précédente. » LightSail 2 n’a besoin ni de carburant, ni d’électricité, ni de vent pour avancer dans l’espace. Et ce tour de force, qui ne transporte pour l’heure qu’un minuscule appareil de la taille d’une boîte à chaussures, est la promesse d’extraordinaires voyages à venir.

La voile de Sagan

En manque de carburant pour parvenir à se propulser, la navette spatiale de la mission Covenant est forcée de déployer sa voile dorée. Arrimée à la poupe du vaisseau, la toile imposante luit dans le noir cosmique, réfléchissant aléatoirement les rayons d’une étoile lointaine. L’équipage vogue dans l’espace, poussé dans son élan par l’énergie lumineuse. Cette scène tirée du dernier épisode de la saga Alien n’est pas la représentation cinématographique d’un futur fantaisiste. Le mode de déplacement du vaisseau spatial emprunte à la science ses dernières innovations aéronautiques. La voile solaire qui guide ses passagers droit vers le monstre extraterrestre est aujourd’hui l’une des plus sérieuses pistes envisagées par les astronomes pour voyager dans l’espace.

Crédits : Twentieth Century Fox

Pourtant, quand le 16 septembre 1976, l’astronome américain Carl Sagan vient faire la démonstration d’une voile solaire sur le plateau du Tonight Show de la chaîne de télévision NBC, son prototype provoque les rires nerveux d’un public intrigué. Dans son col roulé bleu turquoise, la voix grave posée et le ton affirmatif, Sagan expose aux téléspectateurs une sorte de cerf-volant en papier d’aluminium maintenu par quelques fils. « C’est une idée extraordinaire », s’émerveille-t-il devant son interlocuteur perplexe. « Un jour viendra où nous l’utiliserons pour voyager de planète en planète ». Il pourrait bien avoir raison. La réalisation de la maquette qu’il tient dans ses mains sera déployée dans l’espace sous une forme quasi similaire quarante ans plus tard.

Depuis le début des années 1970, la majorité des agences spatiales développent des voiles. Triangulaires, carrées ou sphériques, toutes sont poussées par une force invisible. Dans l’espace, là où aucune brise d’air ne subsiste, l’unique vent perceptible est en réalité celui de la lumière des étoiles. Exposées aux rayons du Soleil, les voiles chauffent, mais elles subissent aussi la pression des photons qui les percutent de plein fouet. Cette rencontre engendre une accélération qui permettrait à des vaisseaux spatiaux de traverser la Voie lactée à des vitesses encore jamais atteintes. La NASA effectue d’ores et déjà des essais pour s’en servir d’outils de surveillance des astéroïdes menaçant de s’écraser sur Terre, tandis que l’entreprise européenne Astrium souhaite y recourir afin de nettoyer les débris encombrant l’orbite terrestre. Mais d’autres envisagent un voyage plus long : partir à la voile à la rencontre d’une autre planète où vivre.

Carl Sagan au Tonight Show
Crédits : NBC

Starshot

« Pour la première fois dans l’histoire humaine, nous pouvons faire mieux qu’admirer les étoiles. Nous pouvons les atteindre », s’enthousiasme en 2016 le milliardaire russe Yuri Milner, annonçant le lancement du projet d’exploration spatiale Breakthrough Starshot. Sous la supervision de Stephen Hawking et Mark Zuckerberg, celui-ci débloque 100 millions de dollars dans l’espoir d’envoyer des sondes de la taille d’un timbre-poste à 4,37 années-lumière de la Terre. Il a pour ambition de gagner d’autres systèmes où des étoiles irradient des planètes potentiellement habitables. Les trois investisseurs jettent leur dévolu sur Alpha du Centaure, le système stellaire le plus proche de la planète bleue. Mais leur dessein n’est dépendant que d’un seul facteur : réussir à se déplacer très rapidement dans l’espace. Problème, pour s’y rendre avec une fusée dotée de moteurs conventionnels, l’opération prendrait plus de 40 000 ans, à peine plus de 20 ans avec une voile poussée uniquement par l’énergie du Soleil.

Mais comment est-il possible d’avancer simplement grâce à la lumière ? Après tout, sur Terre, même par grand soleil, s’il n’y a pas de vent, un voilier fait du sur place. Pourtant, à l’instar du vent gonflant vigoureusement les voiles d’un catamaran pour le projeter à vive allure sur la mer, les particules composant la lumière exercent une force sur la surface qui les réfléchit. La voile qui reflète les photons telle un miroir peut ainsi mettre en mouvement le véhicule auquel elle est harnachée. Mais si l’on ne constate pas cette poussée sur Terre, c’est qu’une telle voile doit être immense pour emporter ne serait-ce qu’un minuscule objet.

Crédits : Breakthrough Starshot

Bien que disposant d’une énergie inépuisable, il est « encore impossible de concentrer les rayons du Soleil sur une voile afin d’obtenir une propulsion suffisante pour atteindre des astres aussi lointains », explique Avi Loeb, astrophysicien de l’université d’Harvard et président du conseil consultatif de Starshot.

« En sachant qu’il faut aussi attendre quatre ans pour qu’un signal nous revienne, les générations actuelles et futures s’éteindront bien avant d’avoir des nouvelles de la sonde », poursuit-il, décidé à être encore de ce monde le jour où les clichés d’Alpha du Centaure nous parviendront par centaines. La seule solution envisageable pour atteindre l’objectif fixé par son équipe en moins de 40 ans serait de diriger vers la voile des rayons lasers surpuissants, directement depuis la Terre. Avec cette méthode, les sondes fileraient dans le vide à un cinquième de la vitesse de la lumière, soit environ 161 millions de km/h.

En comparaison, « la propulsion par distorsion de l’espace-temps ou par les trous de ver font partie d’une approche plus imaginaire, parce que personne n’a la moindre idée de comment les réaliser », estime Philip Lubin, physicien de la NASA à l’origine de ce procédé. Selon lui, le concept de propulsion laser est en revanche à la fois « réaliste et réalisable ». Il omet toutefois de préciser que l’opération entraînerait des coûts exorbitants et que des milliards de dollars devront affluer pour mettre en œuvre cette technologie. Et encore, tout ça pour envoyer des objets électriques d’un gramme.

Aller plus vite avec une charge plus lourde implique d’agrandir le diamètre de la voile, d’imiter les skippers qui gonflent leurs focs en captant le maximum de vent. La force de poussée de la lumière étant proportionnelle à la surface sur laquelle elle s’applique, en suivant les calculs d’Avi Loeb, une voilure d’une longueur comparable au diamètre de la Terre (plus de 10 000 km) est nécessaire pour propulser un vaisseau transportant des passagers. « C’est la seule réelle limite de la voile solaire », déplore Adao Delehelle, président de l’association française U3p, entité rassemblant de nombreux ingénieurs passionnés par l’énergie photonique. Pour construire des voiles de plus grande taille, il faudrait être capable de les assembler depuis l’espace. Cette éventualité reste donc encore théorique. « Mais Starshot est un projet au long terme », souligne Adao. « En matière de voile solaire, les idées les plus folles se sont très souvent concrétisées grâce aux avancées technologiques. Avec le temps, il y a de fortes chances que ce projet aboutisse aussi. »

Moins ambitieux mais plus concret, le programme LightSail, de l’organisation privée The Planetary Society, serait en passe de déployer sa deuxième voile. Rassemblant plusieurs aficionados de la conquête spatiale dont le cinéaste Steven Spielberg, ainsi que le deuxième homme à avoir marché sur la Lune – Buzz Aldrin –, ou encore le milliardaire Elon Musk, LightSail compte s’aider uniquement de l’énergie conférée par le Soleil pour mouvoir sa voile de 32 m². Incapable d’effectuer un véritable vol solaire malgré un dépliage réussi en mai 2015, l’équipe de LightSail espère cette fois faire figure de référence dans ce domaine.

Crédits : LightSail

Point d’exoplanètes dans son viseur. Le programme vise seulement à maîtriser l’envoi de nano-satellites appelés « Cubesat » dans l’espace. Pour se déployer sans être rabattue au sol par l’attraction atmosphérique, la voile devra cependant attendre un compagnon de voyage : la fusée Falcon Heavy de la compagnie SpaceX, qui doit la larguer en orbite à 720 kilomètres d’altitude. Leur lancement conjoint était prévu dès 2016, il est désormais repoussé à une date ultérieure encore inconnue à l’horizon de 2017. Malgré leurs lourds investissements, les contributeurs des projets Starshot et LightSail peuvent s’armer de patience. Mais ils sont habitués, car il y a bien longtemps qu’ils entendent parler de voiles solaires.

Ikaros

L’idée qu’une voile solaire puisse servir de propulseur aux vaisseaux spatiaux est envisagée très tôt, aussi bien par les physiciens que dans la littérature de science-fiction. La Planète des singes, roman de Pierre Boulle publié en 1963 et source intarissable d’adaptations cinématographiques, s’y réfère dès le premier chapitre, dès les premières lignes. Le texte s’ouvre sur le road trip interstellaire d’un couple de skippers de l’espace. Jinn et Phyllis « parcouraient l’univers pour leur plaisir, à la voile », raconte alors le narrateur qui suit les pérégrinations touristiques des deux cosmonautes. Ces derniers se déplacent en voilier solaire dans des conditions similaires à celles qui permettent depuis quelques années à des engins de se mouvoir sans carburant.

L’Arche de Lumière
Crédits : Fondation Jacques Rougerie

Instrument de navigation par excellence des embarcations marines, la voile a nourri l’imagination des penseurs du transport spatial. Dès 1993, Jacques Rougerie, architecte océanographe à l’origine de nombreux projets pour l’exploration et la colonisation spatiale, dévoile son Arche de Lumière. Quatre miroirs triangulaires articulés autour d’un anneau abritant un satellite.

« Dans l’espace, les contraintes architecturales sont différentes de celles du milieu sous-marin, bien qu’ils soient assez similaires », indique Jacques Rougerie. « Il faut développer un autre imaginaire, partir de zéro, changer les designs. La voile n’est qu’un mot de référence ». Pendant des années, les scientifiques de la NASA tâtonnent, multiplient les calculs, cherchent la forme parfaite que devra épouser la voile solaire pour mieux capter l’énergie lumineuse.

Certains favorisent le modèle de la sphère tandis que d’autres ingénieurs esquissent des voiles toutes en longueur, calquées sur les rayons des nageoires de poisson. Devenue usuelle, la voile solaire est reprise par les blockbusters SF tel que Star Wars. Après avoir tranché le bras d’Anakin Skywalker dans La Revanche des Sith, le comte Dooku s’enfuit vers Coruscant dans un vaisseau capturant le vent solaire émanant des étoiles voisines. Et parfois, la fiction et la réalité sont tellement proches qu’elles finissent par se confondre.

~

Sur la ligne de départ, amarrés en orbite 35 000 kilomètres au-dessus de l’équateur, trois voiliers attendent la propulsion fatidique. Ils arborent des étendards japonais, américain et européen. Le scintillement des rayons du Soleil se réfléchit sur leurs voiles pleinement déployées. Ils s’apprêtent à rejoindre la Lune, portés par les vents solaires, chargés d’une énergie naturelle illimitée. La course à laquelle participe ces vaisseaux imaginaires n’a bien sûr jamais eu lieu, mais elle fut bel et bien imaginée par la Fédération internationale d’astronautique (IAF). Si son règlement existe depuis 1992, jamais aucun vaisseau spatial ne s’est lancé dans l’aventure.

À l’époque, la première guerre du Golfe focalise l’attention des belligérants et vide les porte-feuilles gouvernementaux. La régate spatiale est mise en suspens, reportée à une échéance qui semble se rapprocher de plus en plus. « Avant le départ du premier Vendée Globe en 1989, tout le monde pensait que c’était une aventure pour des dingues, une course irréalisable », se souvient avec amusement Jacques Rougerie. « Aujourd’hui, cela paraît normal de faire un tour du monde seul sur un voilier. Donc une course de la Terre à la Lune avec des voiles solaires, ce n’est sans doute plus qu’une question d’années. » Le créateur de l’Arche de Lumière partage cette vision optimiste avec de nombreux astronomes et ingénieurs. « Une bande de types surdiplômés payés par des agences spatiales, juste pour avoir l’audace d’imaginer des projets farfelus », explique Jacques Rougerie. Leur ambition commune est de propulser des vaisseaux totalement exempts de carburant. C’est déjà arrivé.

Le 20 mai 2010 à 23 h 58, après plusieurs essais plus ou moins fructueux, le satellite IKAROS de l’Agence d’exploration aérospatiale japonaise (JAXA) déroule ses 173 m² de voilure argentée. Le dépliage est méticuleux, un léger accroc peut suffire pour déchirer la toile de polyimide dont l’épaisseur dépasse à peine le millième de millimètre. Pour la première fois, un voilier solaire se déploie en sortant du giron gravitationnel de la Terre, propulsé par la lumière. IKAROS vole en direction de Vénus.

En cinq mois, la force qu’il puise de l’énergie transmise par les rayons du Soleil augmente sa vitesse de 100 mètres par seconde. Parti initialement pour une mission de six mois, les concepteurs de l’engin décident de prolonger son voyage en solitaire. À cinq reprises, privée du souffle lumineux du Soleil, tapi dans l’ombre des astres environnant, la sonde entre en hibernation. Lorsqu’en mai 2015, elle cesse une nouvelle fois d’émettre ses signaux, la planète bleue est déjà 110 millions de kilomètres derrière elle. Le parcours d’IKAROS est une démonstration technique. Il confirme que la voile solaire est non seulement un excellent moyen de propulsion, mais qu’elle est manœuvrable.

À chacune de ses extrémités, une palette de cristaux liquides contrôlent son orientation en adaptant la poussée des rayons du Soleil pour diriger le navire spatial selon l’angle désiré. Cette réussite technique permet aux scientifiques de croire en un échappatoire à l’éventuelle disparition de la vie sur Terre. « Je ne pense pas que nous survivrons 1 000 ans de plus si nous ne nous échappons pas de notre fragile planète », avertissait en 2016 Stephen Hawking avant de raccourcir sa prédiction à 100 ans. Mais un sauvetage in extremis est concevable. Il s’agirait peut-être de copier le savoir-faire des seuls êtres capables de maîtriser totalement la technologie pour voyager dans l’univers. Car un mystérieux signal intercepté par les scientifiques pourrait signifier que des voiles solaires sont déjà utilisées, dans une galaxie lointaine, très lointaine.

Assemblage à la main d’une voile solaire en 2016
Crédits : Satoko Kawasaki/JAXA

Le club interstellaire

Ils n’apparaissent qu’une fraction de seconde. Des faisceaux de lumière d’une énergie équivalente à 500 millions de Soleil traversent la Voie Lactée depuis les confins de l’univers. Jusqu’ici, seuls les plus performant télescopes sont parvenus à les détecter. Ces lueurs étrangères appelées « sursauts radio rapides » demeurent toujours inexpliquées. Pourtant, elles pourraient être le signe d’une civilisation extraterrestre pour laquelle le voilier solaire est devenu un mode de transport régulier. « Il se pourrait que de nombreux vaisseaux soient en train de voyager dans notre galaxie sans que nous les remarquions », assure Avi Loeb à l’appui de sa théorie. « Des engins qui émettraient peu de lumière et se déplaceraient trop vite pour que nous puissions les apercevoir depuis la Terre. »

Les développements de ses recherches prennent l’allure d’un mode d’emploi au service de la sauvegarde de l’humanité. Ils déclinent l’écart technologique qui sépare les ingénieurs de la capacité d’organiser un voyage interstellaire. « Nous n’existons comme civilisation technique que depuis moins de deux siècles », tient à faire remarquer Loeb. « À l’échelle de l’univers, nous savons bien que ce n’est rien. Il faut nous laisser le temps. » Le temps de construire des émetteurs géants d’une superficie double de celle de la Terre. Car un réseau de navettes propulsées dans l’espace nécessite des infrastructures colossales exploitant l’énergie des étoiles environnantes.

Le plus compliqué serait de créer leur système de refroidissement, de maintenir les machines à des températures raisonnables pour qu’elles émettent leurs faisceaux sans surchauffer. Mais une fois arrivé à ce stade de développement, tout est possible. Encore faut-il y parvenir. « Il ne faut jamais sous-estimer les possibilités de l’univers, ni notre capacité à évoluer à grand pas », prévient Avi Loeb. De leur côté, les chercheurs de l’université de Santa Barbara, dont Philip Lubin du projet Starshot, développent déjà des lasers dans l’idée de détruire des astéroïdes à distance.

Crédits : Breakthrough Starshot

Pessimistes lorsqu’il s’agit d’évoquer l’avenir de la planète bleue, les astrophysiciens se révèlent beaucoup plus optimistes quant à leur faculté à surmonter les obstacles. D’une part, ils assurent pouvoir protéger la voile fragile des turbulences de la poussière interstellaires lors d’un voyage s’étalant sur des dizaines d’années. D’autre part, ils certifient être capables de trouver rapidement le moyen de ralentir suffisamment leurs appareils pour les mettre en orbite autour d’une planète.

Quoi qu’il en soit, les investissements sont en marche et les capitaux près à être débloqués pour l’expansion spatiale du domaine de la voile. « Si nous réussissions à mener un vaisseau à voile en dehors de notre système solaire, je suis certain qu’on recevra un message d’outre-espace nous annonçant : “Bienvenue dans le club interstellaire !” » renchérit Loeb. « Pour l’instant, si des civilisations extraterrestres sont au fait de notre existence, elles doivent nous considérer comme des êtres primitifs. Mais c’est un peu comme les fourmis. On n’y prête vraiment attention que lorsqu’elles se rassemblent pour construire de grandes choses. »

Un objet aussi archaïque qu’une voile pourrait donc garantir la survie de l’humanité ? Rien ne l’assure. mais pour patienter dans le vaisseau qu’elle propulsera à l’autre bout de la galaxie, il faudra sans doute s’habituer à hiberner dans une cuve de cryogénisation. Le trajet risque d’être long et froid.

La nouvelle voile prototype de JAXA face à un astéroïde

Couverture : La voile solaire du projet LightSail. (Planetary Society)