Pour réduire la masse d'un véhicule spatial, il semblerait extrêmement intéressant de se passer de moteur en puisant dans la source permanente d'énergie qu'offre le rayonnement solaire ou stellaire. Cette solution aurait pour inconvénient évident de subordonner l'obtention de l'accélération nécessaire à l'existence d'un flux élevé de protons. Pour le voyage interstellaire, les véhicules à voile photonique doivent faire appel à des constructions de très grande échelle tels que d'énormes relais solaires autour de Mercure et des zones Fresnel gigantesques dans la région périphérique du système solaire.

L'énergie lumineuse exerçant une pression sur les surfaces qu'elle rencontre, le flux de photons peut être utilisé pour la propulsion dans un environnement quasi exempt de friction. Les voiles photoniques (ou solaires) reposent sur ce principe. Ce mode de transport spatial évite d'avoir à emporter du carburant, bien que les voiles actionnées par le vent solaire ou le seul rayonnement des étoiles perdent de leur efficacité en s'éloignant de la source de lumière. Faisant leur apparition dans la science-fiction dès les années 1920, les voiles solaires se présentent au départ sous forme de vaisseaux géants à voilures multiples. Dans d'autres ouvrages, les voiles photoniques servent à accélérer les vaisseaux jusqu'à la vitesse où les moteurs prennent le relais. Afin d'en augmenter le rendement, des lasers installés au sol pourraient être utilisés pour pousser l'engin spatial; un faisceau monochrome qui renforce la réflectivité du matériau dans lequel est réalisée la voile permet d'obtenir une plus forte accélération. Le rendement diminue avec l'éloignement, mais beaucoup plus lentement que si le véhicule spatial est propulsé par le seul rayonnement solaire. Des zones Fresnel immenses peuvent refocaliser le faisceau laser. Les voiles photoniques auront une superficie énorme mais le véhicule spatial ne devra emporter ni carburant ni moteurs volumineux. Les voiles à micro-ondes, les voiles à particules, les voiles magnétiques, la propulsion électrique ou thermique solaire ou laser en sont des variantes possibles.

La voile photonique exploite pour l'essentiel l'effet de pression qu'exercé sur un miroir la lumière qui s'y réfléchit, découvert par James C. Maxwell en 1873. Puisque selon Einstein les photons ont une masse, et vu le coefficient de friction assez faible de l'espace, un véhicule spatial peut se déplacer de A en B sans avoir à emporter de systèmes de propulsion encombrants ni en particulier à se charger de carburant. C'est là un plus important pour la logistique. Les étoiles proches ou des lasers à grande puissance fournissent l'énergie nécessaire.

" Sunjammer" a été écrit par Arthur C. Clarke au début des années 1960, bien que l'une des sources les plus anciennes de voiles exploitant la poussée du rayonnement lumineux soit une compilation des œuvres de Cordwainer Smith, le nom sous lequel le Dr Paul M. A. Linebarger publiait des ouvrages de science-fiction dans les années 1950. Dans ce récit, les premiers vaisseaux interstellaires habités sont propulsés par des voiles photoniques. La superficie des plus petites voiles des tout débuts ne dépasse pas 5000 km2. Elles sont constituées de "toile métallique", probablement une sorte de filet arachnéen visant à alléger ces voiles gigantesques. Chaque vaisseau possède de multiples voiles dont la manipulation permet de le diriger, à l'instar des voiliers d'aujourd'hui. Venu plus tard, l'auteur de science-fiction Larry Niven fait un large emploi des voiles photoniques dans ses "Taies of Known Space" (Récits de l'Espace connu) où elles permettent de propulser le vaisseau jusqu'à la vitesse où les moteurs peuvent entrer en jeu. Ces voiles sont presque toujours poussées par des lasers géants disposés soit sur des rails à la surface de Mercure, soit sur des astéroïdes de la ceinture séparant Mars de la Terre. Dans l'un des récits, "The Mote in God's Eye" (La Poussière dans l'œil de Dieu), écrit avec Jerry Pournelle et mis en scène dans l'univers propre à celui-ci, la première rencontre avec une espèce extraterrestre intelligente est marquée par l'entrée en contact avec une voile photonique actionnée par laser.

Il existe plusieurs types de voiles photoniques. Dans le modèle de base, le véhicule spatial s'appuie sur la seule poussée de la lumière en provenance des étoiles. C'est ce type de voile qu'on trouve chez Cordwainer Smith. Il n'y a d'accélération que si l'intensité lumineuse est suffisante, c'est-à-dire dans les zones centrales des systèmes solaires. Dans ces régions, les voiles photoniques peuvent offrir un moyen de propulsion efficace à peu de frais. L'accélération est faible et l'on imagine en général une vitesse maximale d'environ 25 % de la vitesse de la lumière. Avec l'éloignement de la source lumineuse croît le rendement que devra offrir la voile photonique pour soutenir une accélération significative. A partir d'un certain point, la force de poussée de la voile pourrait être contrebalancée par l'effet de friction de la matière interstellaire rencontrée sur sa trajectoire par le véhicule spatial. La forme la plus simple d'une voile de type solaire est celle d'un cercle ou d'un carré de grande dimension tractant le véhicule spatial au bout de filins. C'est un véhicule de ce type qui est utilisé dans "Rocheworld" de Robert Forward où la voile se met à faseyer sans pour autant beaucoup préoccuper l'équipage. Le risque de voir la voile claquer ou s'effondrer sous l'effet des fluctuations du courant de photons en provenance du Soleil est un problème qui semble n'être pris au sérieux que dans le monde réel, où le renforcement de la voile par des raidisseurs semble avoir la faveur.

La voile poussée par laser est une autre forme de voile photonique qu'un laser géant ou un réseau de lasers bombarde d'un faisceau lumineux monochrome. Il est en effet plus facile de créer des réflecteurs à bon rendement pour la lumière monochrome que pour la lumière solaire ordinaire composée de toute une gamme de longueurs d'ondes. Pour être efficace, le laser devra être énorme et son faisceau sera focalisé avant que la lumière n'atteigne la voile. La voile solaire utilisant l'énergie laser offre apparemment le seul moyen de disposer d'une voile photonique efficace pour les voyages interplanétaires. On trouve dans les premières "Taies of Known Space" (Récits de l'Espace connu) de Larry Niven des batteries de lasers géants installées sur Mercure, entourées d'un réseau lâche de collecteurs solaires.

Selon une proposition de Robert Forward, une lentille de la dimension du Texas (une zone de Fresnel) située entre Saturne et Neptune concentre la lumière en provenance du plusieurs milliers de collecteurs solaires en orbite autour de Mercure. Ces lasers à pompage solaire fournissent une puissance totale de 65 GW. La voile photonique proprement dite est à deux étages, dont une grande voile extérieure de forme légèrement concave. Arrivée à proximité d'Alpha du Centaure (ou de l'étoile de Barnard?), la voile extérieure se détache de la voile intérieure tout en restant probablement connectée à celle-ci. Le faisceau laser est alors réfléchi par la grande voile extérieure sur l'autre voile, freinant ainsi le véhicule spatial. L'inconvénient de la voile photonique poussée par laser réside dans la formidable puissance laser nécessaire pour propulser le véhicule spatial dans l'espace interstellaire.

Diverses variantes des voiles photoniques ont été proposées. La voile à micro-ondes a également été imaginée par Robert Forward. Un petit véhicule spatial, le Starwisp, est propulsé par des micro-ondes émises par un satellite à énergie solaire gravitant autour de la Terre. Le véhicule spatial serait essentiellement constitué d'une voile de 1 km de diamètre mais de quelques grammes seulement, en filet recouvert de microcircuits. La puissance du faisceau devrait atteindre 65 à 100 GW pour propulser le véhicule de 4 à 5 g jusqu'à 20 % de la vitesse de la lumière, avec l'utilisation d'une lentille de Fresnel pour concentrer le faisceau de micro-ondes.

Les voiles à particules ne comportent pas de voiles au sens strict du terme mais ces engins reposent toujours sur le principe de la capture d'un faisceau émis du sol pour obtenir une accélération. Le faisceau est dans ce cas constitué par un flux de particules plus lourdes, plus lentes comme les protons, émis sous forme de plasma par un réacteur à fusion. Le faisceau se disperserait rapidement mais la poussée obtenue pourrait atteindre 1000 g, propulsant le véhicule spatial à une vitesse égale au tiers de celle de la lumière avant dissipation de l'effet. Les limitations liées à la projection du faisceau feraient des missions interstellaires une aventure sans retour.

La voile magnétique repose sur la loi de Lenz selon laquelle le flux tend à rester constant dans une boucle filaire électrifiée. Constituée de fils supraconducteurs, la boucle se déploie en cercle une fois sous tension. Le véhicule spatial est rattaché à cette boucle. Les particules chargées qui rencontrent la boucle, ou voile magnétique, sous une incidence non nulle par rapport au champ magnétique transfèrent à celui-ci une partie de leur moment cinétique, exerçant une poussée sur l'engin spatial. Selon son orientation, une voile magnétique de 36 tonnes pourrait subir des accélérations de 0,0001 à 0,009 m/s2. Avec un diamètre de 10 km, la boucle magnétique est de très faible dimension par rapport à une voile protonique classique.

Les voiles solaires sont très près de sortir du domaine de la fiction. Les essais de Znamya exécutés par les Russes portaient sur les applications des films minces de faible masse dans l'espace. Si leur objet premier était d'éclairer la surface de la Terre, ils ont également permis de tester des modes de propulsion nouveaux. Aux Etats-Unis, un objet léger de forme concave a été hissé à 20 m de hauteur au moyen d'un faisceau laser. En Europe, l'ESA et le DLR ont mis au point la technologie de voiles solaires de dimensions suffisamment réduites pour être emportées dans l'espace et de masse suffisamment faible pour fonctionner efficacement. Un modèle de 20 m x 20 m composé de segments de voile à revêtement d'aluminium munis de crochets en plastique renforcé de fibres de carbone a été fabriqué et soumis aux essais.

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