Il y a 15 ans : Ikaros, premier « voilier solaire » opérationnel de l’astronautique

Des romanciers…

« C’était l’ère des marins (…). De nouveaux mondes avaient été découverts (…). Les premiers marins étaient partis (…). Ils avaient commencé avec de petites voiles photoniques qui ne dépassaient pas quatre mille kilomètres carrés. Leurs dimensions augmentèrent graduellement. La technique du conditionnement adiabatique et le transport des passagers en caisson individuel réduisaient les dommages en vies humaines », écrivait en avril 1960 dans Galaxy Magazine l’écrivain Cordwainer Smith dans La dame aux étoiles, une des nouvelles du cycle Les seigneurs de l’instrumentalité. Cordwainer Smith n’est cependant pas le premier romancier à évoquer le principe de la voile solaire. L’idée semble avoir été émise dès 1889 par les Français Henry de Graffigny et Georges Le Faure dans Aventures extraordinaires d'un savant russe (vol.1, La Lune) : « j’ai reconnu dans les flammes des volcans lunaires en activité, une substance (…) qui a la curieuse propriété de s’élancer vers la lumière [et qui serait enfermée] dans des sphères de verre adaptées de chaque côté de notre wagon et elle nous emportera vers le soleil… Nous pourrons ainsi visiter les mondes qui se trouvent entre la terre et l’astre central ». Bien d’autres romanciers exploiteront l’idée comme Gérard Klein (Les voiliers du Soleil, 1961), Arthur C. Clarke (Le vent venu du Soleil, 1964), etc.

…aux scientifiques

Si Johannès Kepler évoque au XVIIème siècle l’hypothèse de l’existence d’une pression photonique, il faut notamment attendre le Russe Friedrich Tsander qui, en 1924, définit le concept de voile solaire faite de « miroirs de feuilles extrêmement minces » pour déplacer un vaisseau spatial. Plus tard, en 1958, le physicien américain Richard Garwin établit par des calculs précis l’emploi d’une voile solaire, structure souple et légère, utilisant en guise de propulsion la pression de rayonnement émise par une étoile. Quant à la première expérimentation de la pression photonique, elle est entreprise par la sonde américaine Mariner 10 qui, après le survol de Vénus en février 1974, utilise le vent solaire par pression sur ses panneaux solaires compensant ainsi le manque d’ergols. En 1975, des ingénieurs du JPL de la Nasa envisagent alors d’utiliser une voile solaire pour rejoindre la comète de Halley en 1986. Toutefois, la mise au point de cette technologie étant encore complexe, et surtout par manque de temps, le projet est abandonné (tout comme la mission Halley), mais pas l’idée…

De nombreuses initiatives

Fin 1981, des ingénieurs français créent l’association Union pour la promotion de la propulsion photonique (U3P), avec comme objectif la « recherche-développement en autres sciences physiques et naturelles ». L’U3P et des ingénieurs japonais lancent en 1991 des études pour construire des vaisseaux solaires pour voler jusque derrière la Lune à l’occasion du 500ème anniversaire du voyage de Christophe Colomb vers l’Amérique. En 1993, les Russes placent sur orbite la voile solaire Znamya, dont ils déploient avec succès la membrane. D’autres associations s’engagent comme l’américaine World Space Foundation (WSF) qui élabore une voile de 700 m² pour étudier les techniques de fabrication et de déploiement, mais celle-ci n’est pas lancée.

En 1999, l’organisation californienne Planetary Society avance à son tour un projet de voile solaire en développant Cosmos 1. Ce dernier est lancé le 21 juin 2005 depuis le sous-marin K-496 Borissoglebk à l’aide d’un ancien missile balistique russe qui…échoue. Cela ne remet cependant pas en cause le concept de la voile solaire, la Planetary Society décide de renouveler l’initiative avec son projet LightSail 1 (lancé le 20 mai 2015), devancé cependant par les Japonais.

Ikaros, le premier « voilier solaire »

Si les Japonais ont ponctuellement utilisé des voiles solaires (comme sur MTSAT 1R en 2005 pour faire contrepoids à la rotation induite par la voilure des panneaux solaires en ajustant son orientation), il faut attendre 2007 avec l’appel à propositions de l’ISAS (Institute of Space and Astronautical Science) pour concevoir un voilier solaire expérimental. Le projet mené par le professeur Junichiro Kawaguchi est retenu sous le nom de Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun (Cerf-volant interplanétaire accéléré par le rayonnement du Soleil) ou Ikaros – clin d’œil au mythe d’Icare qui, après s’être échappé du labyrinthe en utilisant des ailes en cire et en plumes, meurt en tombant dans la mer après s’être trop approché du Soleil.

D’une masse totale de 315 kg, Ikaros emporte une voile de 196 m² enroulée (au moment du décollage) autour d’un cylindre central. La voile est faite de plastique spécial appelé polyimide d’une épaisseur de seulement 0,0075 mm pour une masse totale de 15 kg, le plastique ayant déjà été éprouvé dans l’espace pour l’isolation de satellites. La voile est dotée de plusieurs éléments : des cellules photovoltaïques pour propulser et alimenter le vaisseau en énergie électrique, de quatre-vingts panneaux à cristaux liquides pour le contrôle d’attitude (poussée et orientation de la voile), et de huit compteurs de poussière sur la face opposée. Quant au cylindre de 160 cm de diamètre et 80 cm de haut, il dispose sur la face supérieure de cellules solaires et d’antennes de communication et contient les éléments nécessaires au fonctionnement de la sonde dont le système de commande. Une expérience d’interférométrie à très grande base est également embarquée pour suivre la navigation d’Ikaros en comparant la réception de ses ondes radio sur plusieurs récepteurs répartis sur Terre.

Lancement et bilan

Le 21 mai 2010, Ikaros est lancé avec succès par une fusée japonaise H-IIA (depuis le centre de Tanegashima), en même temps que la sonde vénusienne Akatsuki. Une fois sur orbite, Ikaros se met en rotation à raison de 25 à 30 tours par minute pour entraîner le déploiement des masses situées aux coins de la voile. Cette dernière se déroule peu à peu dans un second temps. Quatre caméras filment les opérations (terminées le 10 juin), puis l’une d’elle se détache pour avoir une vue d’ensemble. Entre le 9 et le 16 juillet, la pression des radiations solaires étant suffisante, Ikaros vogue alors vers la planète Vénus. Au bout d’un mois, la voile a permis à la sonde d’augmenter sa vitesse d’une dizaine de mètres par seconde. Six mois plus tard, Ikaros survole Vénus à une distance de 80 000 km, puis se place sur une orbite autour du Soleil. Au cours de son voyage, son polarimètre GAP (GAmma-ray burst Polarimeter) détecte un sursaut gamma.

En 2012, le contrôle d’attitude s’étant dégradé, Ikaros est mis en hibernation, poursuivant sa course autour du Soleil. A quatre reprises, les contrôleurs au sol parviennent à entrer en contact avec l’engin. Lors de la cinquième tentative en mai 2015, c’est le silence définitif… Les contrôleurs continuent néanmoins à suivre la trajectoire d’Ikaros jusqu’au 15 mai 2025, date à laquelle la JAXA met fin à toutes les opérations de suivi. Ikaros a alors atteint ses deux principaux objectifs : valider la propulsion solaire et la navigation électrique.

Quelques références

- Un ouvrage : Voiliers de l’espace, Louis Friedman, L’Etincelle, 1989.

- Un article sur le site clubic.com : « La voile solaire : une histoire de science et de fiction », Marion LHostis, 12 août 2021

- Un article sur le site de l’ISAS-JAXA : « End of 15 year operation of the Small Scale Solar Powered Sail Demonstration Satellite IKAROS », 15 mai 2025

- Un article sur le site de l’Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique (U3P) : « Le voilier Ikaros »

- Une conférence sur le site de « Ikaros, le premier voilier interplanétaire », 23 mars 2011.

Philippe Varnoteaux est docteur en histoire, spécialiste des débuts de l’exploration spatiale en France et auteur de plusieurs ouvrages de référence