Prototype de voile solaire (NASA)

En mai prochain, la Planetary Society devrait déployer sa voile solaire LightSail (Voile légère) dans l’espace, telle une fleur de 32 m² s’épanouissant au Soleil. Si la manip réussit, ce sera une première pour cette association privée à but non lucratif bien décidée à impulser des hommes vers Mars et ailleurs. Une nouvelle technologie de propulsion encore balbutiante.

Certains se souviennent peut-être que la Planetary Society, fondée en 1980 par Carl Sagan, avait déjà tenté en 2005 le même projet – Cosmos-1 – soldé par un échec. Il leur a donc fallu dix ans pour concevoir ce nouveau modèle de voile apte à passer rapidement d’un volume de quelques cm3 à une surface de 32 m².

Déplier une voile solaire relève de l’art

Car si les principes de fonctionnement de la voile solaire sont simplissimes, leur mise en œuvre concrète relève quasiment de l’impossible : déplier sans déchirer une toile énorme en Mylar (polymère très résistant et léger) dont l’épaisseur ne dépasse pas le quart de celle d’un sac plastique, soit 4,5 millièmes de centimètre (microns).

De fait LightSail s’inspire de la voile solaire NanoSail, de 10 m² de surface, testée en 2011 par la Nasa avant l’arrêt du programme de développement de ces voiles en 2014 (il était prévu une voile de 1200 m²). Aussi, il n’existe pour l’heure qu’un seul engin spatial propulsé par voile, l’Ikaros (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun) de 174 m², conçu par l’agence spatiale japonaise JAXA et lancé en 2010 sur une orbite solaire, encore en service. Un exploit bien mérité pour ce pays qui a inventé l’art de l’Origami (« art du pliage ») tant la technologie de la voile solaire dépend quasi-exclusivement de la maîtrise du pliage, pour stocker la voile dans la sonde avant le lancement, et du dépliage – sans déchirure ni accrocs.

Équiper des micro-satellites d’une propulsion illimitée

Une fois la voile dépliée sont fonctionnement est simple : chaque particule de lumière (photon) qui heurte la voile ultra-réfléchissante lui transmet une infime impulsion par pression radiative, ce qui lui permet de se propulser à la lumière solaire ou par l’action d’un faisceau laser… En particulier, le projet LightSail vise à pourvoir des micro-satellites, de type CubSat (10 cm x 10 cm x 10 cm), non seulement de ce mode de propulsion illimité mais également d’un principe de navigation par orientation de la voile.

Ainsi, après cette première étape en mai destinée à tester le bon dépliement du « tissu » sur une orbite basse, un second essai en orbite haute (720 km d’altitude) aura lieu courant 2016 où sera testée la capacité de la voile à s’orienter selon les lignes de champ magnétique terrestre grâce à un dispositif intégré dans la voile.

Román Ikonicoff

> Lire également dans les Grandes Archives de Science & Vie :

• Sonde spatiale, premier test pour la longe solaire – S&V n°1160 – 2014 – Outre les voiles, d’autres technologies de propulsion spatiale à énergie solaire sont en cours de développement. En particulier celle des « longes » – de très fins et longs filaments – dont les principes de fonctionnement sont étonnants.

• 2005 : l’année de tous les espoirs – S&V n°1048 – 2005 – Retour sur la première tentative de déploiement d’une voile solaire, Cosmos-1, par la Planetary Society.

La sève entreprend son ascension en hiver (Ph. AJ via Flickr CC BY 2.0)

Il est vrai que, contrairement aux animaux, dotés d’un cœur pour faire circuler le sang vers leurs organes, et notamment ceux situés en hauteur (cerveau), les plantes ne disposent pas de pompe pour contrer la gravité et faire monter leur sève depuis leurs racines jusqu’à leurs feuilles. Pour réaliser cette ­prouesse, elles ont recours à trois grands phénomènes physicochimiques : la poussée racinaire, qui pousse la sève des racines vers le haut ; la capillarité, qui l’attire le long des vaisseaux conducteurs de sève (“vaisseaux du bois” ou “xylème”) ; et la transpiration au niveau des feuilles qui aspire la sève vers le haut (voir infographie).

Aucun de ces mécanismes ne permet à lui seul d’expliquer la montée de la sève sur parfois plus de… 30 mètres ! Ils y contribuent de façon conjointe, chacun de manière plus ou moins importante, sachant que le moteur principal est la transpiration, c’est-à-dire l’évaporation de l’eau par les pores des feuilles sous l’action de la chaleur. Cette “évapotranspiration” est responsable du rejet de plus de 98 % de l’eau absorbée par les racines. Ce mécanisme crée une mini-dépression au niveau du feuillage qui aspire la sève (composée de 80 à 99 % d’eau) en provenance des racines. Mais si elle s’exerçait seule, l’évapo­transpiration ne pourrait pas faire monter le précieux liquide au-delà de 10 m. Elle est donc amplifiée par l’action de la capillarité.

La sève des plantes monte à la fin de l’hiver

Ce phénomène se produit dans les vaisseaux conducteurs de sève tout comme il se déroule dans un fin tube de verre en partie plongé dans de l’eau : à l’intérieur du tube, les molécules d’H2O sont attirées par la paroi et, sous l’effet de la cohésion entre ses molécules, l’eau monte dans le tube. Quant à la poussée racinaire, si elle constitue une force mineure chez la plupart des plantes, voire inexistante chez les conifères, elle est indispensable chez les plantes à feuillage caduc quand l’évapotranspiration est très faible ou inexistante : la nuit et – surtout – à la fin de l’hiver.

A cette période, après un net ralentissement de la circulation de la sève pendant la saison froide, les plantes recommencent à puiser et à faire circuler de l’eau et des minéraux depuis le sol. Or, cela ne serait pas possible sans la poussée au niveau des racines ; les nouvelles feuilles indispensables à l’évapotranspiration n’étant pas encore “sorties”. La poussée racinaire serait aussi très importante pour rétablir la circulation de la sève lorsque se forment des bulles de gaz dans la sève. Ce mécanisme survient parfois après des cycles de gel et de dégel, une transpiration excessive lors d’une sécheresse, ou l’invasion d’un parasite qui bloque la circulation de la sève.

 Les 3 mécanismes qui permettent à la sève de monter :

• 1 – L’évaporation aspire la sève dans la feuille…

C’est le premier moteur de la sève. 98 % de l’eau absorbée par les racines s’évaporent par les feuilles : ce proces­­sus crée une mini-dépression que va remplir la sève (Ph. Tim Pierce via Flickr CC BY 2.0)

• 2- La capillarité lui permet de se hisser dans les vaisseaux…

”L’adhésion” de la sève aux vaisseaux du bois crée une force qui tire, sous l’effet de leur cohésion, les molécules d’eau vers le haut (Ph. Mike Jennings via Flickr CC BY 2.0)

• 3- Et la poussée racinaire la pousse vers le haut

En jouant sur la concen­tra­tion saline à l’intérieur de ses racines, la plante aspire l’eau de la terre dans ses cel­­lules (osmo­­se). Cette as­­pira­tion exer­­ce une poussée qui fait monter la sève vers le haut (Ph. Arnaud Abadie via Flickr CC BY 2.0)

K.B.

> Lire également dans les Grandes Archives de Science & Vie :

• L’intelligence des plantes enfin révélée – S&V n°1146 – 2013 – La mécanique complexe de la montée de la sève n’est rien comparée aux autres compétences des plantes : elles ont le sens de l’ouïe, savent communiquer, ont l’esprit de famille et même de la mémoire. Les biologistes découvrent à peine ce que les pantes savent faire.

• Les plantes possèdent un 6e sens – S&V n°1074 – 2007 – Zoom sur une aptitude inédite des plantes : la sensibilité aux champs magnétiques grâce à des récepteurs de lumière bleue, que l’homme possède également.