Les voiles solaires représentent l'un des concepts les plus élégants de l'exploration spatiale: utiliser la lumière du soleil elle-même pour propulser les vaisseaux spatiaux à travers le cosmos sans aucun carburant. Mais ces géants minces et légers sont confrontés à un défi d'ingénierie obstiné qui a tourmenté les missions depuis leur création; Garder le contrôle tout en conduisant le vent solaire.
Les voiles solaires fonctionnent en attrapant des photons du soleil, un peu comme le vent remplit la toile d'un voilier. Ces feuilles réfléchissantes ultra-mises peuvent s'étendre sur des dizaines de mètres et ne pèser que quelques kilogrammes, offrant une propulsion théoriquement illimitée pour les missions de l'espace profond. Cependant, leur taille énorme par rapport à leur masse crée un problème de contrôle.
La plupart des vaisseaux spatiaux utilisent des roues de rotation appelées roues de réaction pour changer leur orientation dans l'espace. Considérez-les comme des gyroscopes qui peuvent incliner un vaisseau spatial dans n'importe quelle direction. Mais les voiles solaires sont si grandes et éprouvent des forces aussi complexes de la lumière du soleil que ces roues de réaction deviennent rapidement dépassées, tournant de plus en plus rapidement jusqu'à ce qu'elles atteignent leurs limites et ne peuvent plus fonctionner, une condition appelée «saturation».
Lorsque cela se produit, les vaisseaux spatiaux perdent le contrôle, ce qui rend impossible de pointer des instruments avec précision ou de maintenir une orientation appropriée. Les missions précédentes comme Lightsail 2 ont nécessité des « déversements de momentum » quotidiens à l'aide de tiges de couple magnétique pour réinitialiser leurs roues de réaction, limitant leur efficacité opérationnelle.
Des chercheurs de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud ont proposé une solution élégante inspirée de la mission ikaros révolutionnaire du Japon: dispositifs de contrôle de la réflectivité, ou RCD. Ce sont essentiellement des miroirs électroniques qui peuvent changer la façon dont ils reflètent la lumière du soleil avec le flip d'un interrupteur.
Les RCD sont des membranes minces et flexibles incrustées de cristaux liquides, similaires à ceux des écrans d'ordinateur portable. Lorsque l'électricité est appliquée, ils basculent entre deux états: hautement réfléchissant (spéculaire) et réfléchissant de manière diffuse (dispersée). Étant donné que différents modèles de réflexion créent différentes forces à partir de la pression du rayonnement solaire, les RCD placés stratégiquement peuvent générer des couples précis pour aider à contrôler l'attitude du vaisseau spatial.
L'équipe de recherche a développé une stratégie de contrôle intelligente qui alterne entre deux modes opérationnels. Pendant le mode normal de «pointant de la Terre», le vaisseau spatial utilise ses roues de réaction pour un pointage précis tout en menant des observations scientifiques. Lorsque les roues de réaction s'approchent de saturation, le vaisseau spatial passe automatiquement en mode « Poignant le soleil ».
En mode pointant du soleil, la voile solaire se transforme directement au soleil, maximisant l'efficacité des RCD. Les miroirs électroniques fonctionnent ensuite par paires, certains très réfléchissants, d'autres réfléchissants diffusement, créant des déséquilibres contrôlés dans la pression solaire qui génèrent les couples exacts nécessaires pour ralentir les roues de réaction de rotation.
Grâce à des simulations informatiques détaillées à l'aide d'un vaisseau spatial similaire à LightSail 2 dans une orbite synchrone à 700 kilomètres au-dessus de la Terre, les chercheurs ont démontré que les RCD pouvaient empêcher la saturation des roues de réaction. Sans RCD, les roues de réaction ont atteint leurs limites en seulement 48 heures. Avec les RCD, le système a fonctionné en douceur pendant plus d'une semaine, avec des séances de déchargement de l'élan d'une durée d'environ 5 heures et se produisant environ tous les deux jours.
Les RCD se sont avérés capables de générer des couples jusqu'à 7,4 micro-mètres Newton, petits mais suffisants pour contrer l'accumulation de momentum progressive. Le vaisseau spatial pourrait basculer entre les modes de pointage de la Terre et de pointant le soleil en 11 minutes, en maintenant l'efficacité opérationnelle tout en empêchant les défaillances du système de contrôle.
Peut-être le plus important, les RCD offrent des avantages pour les missions de l'espace profond où les outils traditionnels de gestion du moment comme les magnétorques ne peuvent pas fonctionner. Les magnétorques s'appuient sur le champ magnétique de la Terre, ce qui les rend inutiles au-delà du voisinage immédiat de notre planète. Les RCD, alimentés uniquement par la lumière du soleil, ne pouvaient permettre un contrôle précis des missions de voile solaire aux astéroïdes, à d'autres planètes ou même à l'espace interstellaire.
La technologie offre également une simplicité mécanique par rapport aux autres solutions proposées. Contrairement aux systèmes de cardan complexes ou aux masses mobiles, les RCD n'ont pas de pièces mobiles et ajoutent un poids minimal au vaisseau spatial. Leur démonstration réussie sur Ikaros prouve qu'ils peuvent travailler dans l'environnement sévère de l'espace.
Bien que le système RCD actuel ne puisse contrôler que deux des trois axes de rotation, nécessitant des systèmes supplémentaires pour un contrôle complet à trois axes, la recherche démontre un chemin pratique à suivre pour rendre la navigation solaire plus fiable et plus efficace. La simplicité de l'approche – essentiellement une peinture intelligente qui peut changer sa réflectivité sur la commande – pourrait rendre les voiles solaires plus attrayantes pour les futures missions.
Alors que les agences spatiales et les sociétés privées se tournent de plus en plus vers une propulsion durable et sans carburant pour une ambitieuse exploration de l'espace foncé Parfois, les solutions les plus sophistiquées sont également les plus simples.
