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Les moteurs ioniques n’existent pas que dans la science-fiction.

 

plasma

L’industrie spatiale s’en sert déjà pour propulser des sondes ou des satellites. À titre d’exemple, la Nasa avait marqué les esprits en 1998 en éprouvant pour la première fois cette technologie dans des conditions réelles, avec Deep Space 1. Depuis, d’autres puissances se sont engouffrées dans cette voie.

Le xénon (un gaz noble) est chauffé à haute température grâce à un générateur électromagnétique. Il se transforme en plasma. Le plasma ainsi produit est un mélange d’ions et d’électrons. Ensuite il y a deux méthodes utilisées pour accélérer les ions. La première consiste à placer deux grilles en vis-à-vis, qui forment un champ électrique. Accélérés, les ions sont éjectés à travers la grille (Méthode de la sonde Deep Space 1).

Les récents progrès accomplis dans ce secteur par l’Agence spatiale européenne sont très prometteurs. Pour le dire simplement, des tests ont permis de trouver une alternative à l’emploi de bonbonnes de xénon pour les sondes et les satellites — ou en tout cas, un complément –, ce qui pourrait notamment prolonger significativement la durée des missions spatiales.

Concrètement, l’Esa a mis au point un moteur ionique qui est capable de collecter son propre carburant en se baladant simplement dans l’atmosphère pour y collecter certains gaz. « Cela ouvre la voie à des satellites volant en orbite très basse pendant des années », observe l’Agence. (Cf figure à gauche).Et cela vaut pour l’atmosphère terrestre comme pour d’autres, même très ténues, à l’image de l’atmosphère martienne.

Le prototype, qui est le premier du genre à exister indique l’Esa, a fait ses preuves dans une chambre sous vide. Il s’agissait de reproduire le même environnement que l’on trouve à 200 km d’altitude. « Il n’ y a pas de vannes ou de pièces complexes – tout fonctionne sur une base simple et passive

moteur ionique fonctionnement avec air

. Il suffit d’alimenter les bobines et les électrodes pour obtenir un système de compensation de traînée extrêmement robuste », écrit l’Esa.

La démonstration s’est déroulée en trois étapes : d’abord, il y a eu une alimentation classique du moteur ionique avec du xénon. Ensuite, celui-ci a été partiellement remplacé par un mélange d’air composé d’oxygène et d’azote. La dernière phase a consisté à couper l’arrivée du xénon pour ne faire appel qu’à des molécules communes de l’atmosphère (l’oxygène et l’azote la composent à plus de 99 %).

 

 

À ce jour, il y a très peu de petits satellites en orbite basse équipés de moteurs électriques. « Seules quelques missions d'observation de la Terre le sont », explique Rachel Villain, directrice Espace au cabinet Euroconsult. C'est par exemple le cas de Deimos, de la société d'imagerie Planet, de DubaiSat, le satellite des Émirats arabes unis, et de la petite constellation DMC 3, exploitée par une société chinoise.
Il y a évidemment des « bénéfices à disposer de moteurs électriques pour des missions d'observation de la Terre ». C'est notamment vrai pour la « circularisation de l'orbite et cela augmente la durée de vie de la mission ». L'avantage d'avoir des durées de vie accrues pour l'observation de la Terre est immédiat. « L'augmentation du temps d'observation améliorant les capacités de production d'images », l'attrait pour ces petits satellites est fort et « améliore le plan d'affaire de la mission, qui n'est pas facile à financer pour des durées de vie très courtes ».
Cela dit, ces effets positifs sont contrebalancés par des désavantages, comme le « coût encore élevé de la propulsion électrique ». Autre point négatif (qui est d'ailleurs le principal), ces moteurs ne « permettent pas encore une rapidité dans les manœuvres orbitales et les corrections de trajectoire ». C'est un « frein pour les missions opérationnelles d'observation de la Terre et cela peut poser problème pour le tasking et l'évitement de débris ».
 Les trois [satellites] cités en exemple [Deimos, DubaiSat et DMC 3] sont des satellites de 100 à 300 kg. » Quant à ceux encore plus petits, de moins de 50 kg, le défi technico-économique est très important. Avant d'envisager une production en série, il faut en effet arriver à « réaliser des micromoteurs électriques avec un rendement et un niveau moyen d'impulsion spécifique suffisants ». De plus, les coûts ne représentent évidemment pas la « valeur totale des nanosatellites et CubeSat. Le risque est donc de limiter l'intérêt et la faisabilité financière de la mission ».

Pour répondre à ce besoin, des recherches sont en cours pour miniaturiser les propulsions électriques en service aujourd'hui et les rendre compétitives pour les microsatellites et les très petits satellites. C'est un des objectifs du laboratoire Icare (CNRS) qui travaille à mettre au point « une gamme de propulseurs à plasma consommant quelques dizaines de watts et capables de générer une poussée de 1 à 10 millinewtons ».
a propulsion électrique a d'autres intérêts. Elle peut être utile pour compenser les « effets de la traînée générée par l'atmosphère résiduelle sur les satellites en orbite basse ». Deux missions, la franco-israélienne Venµs et la japonaise Slats, seront prochainement lancées afin de « tester le recours à un moteur électrique pour compenser cette traînée atmosphérique ». Autres idées : utiliser des moteurs électriques pour monter les satellites à leur emplacement définitif, « à partir de l'altitude à laquelle les déposent les lanceurs », et désorbiter les satellites en fin de vie.
En conclusion, si aujourd'hui l'intérêt technique d'utiliser des moteurs électriques sur de petits satellites ne fait guère de doute, « économiquement, on ne sait pas très bien comment atteindre cet objectif ». Il sera intéressant de suivre le retour d'expérience d'Aoba Velox 3, le « premier CubeSat réputé avoir de la propulsion électrique et lancé en décembre 2016 ».
Le marché spatial est en mutation, favorisé par une technologie de plus en plus accessible et abordable. Une explosion du nombre de petits satellites est ainsi à prévoir ces prochaines années. Cette tendance à rapetisser les satellites se caractérise par une production de masse avec des taux de remplacement plus élevés, pour garantir la fiabilité des satellites qui tomberont en panne. Des satellites jetables, en quelque sorte, dont le poids varie de 1 à 10 kg pour les nanosatellites et de 10 à 200 kg pour les microsatellites.
Cette évolution du marché contraint les constructeurs de satellites à trouver de nouveaux systèmes de propulsion adaptés à ces petits satellites. Le but ? S'affranchir des moteurs à carburant chimique pour passer au tout électrique à des coûts les plus bas possible.
La propulsion ionique, plus communément appelée « propulsion électrique », apparaît « particulièrement bien adaptée à ces petits satellites. Elle offre plus de souplesse pour un gain de masse significatif », nous explique Stéphane Mazouffre, directeur de recherche au CNRS au sein du laboratoire Icare, à Orléans. Ce physicien supervise des études sur la propulsion spatiale à plasma et travaille avec son équipe à la mise au point de nouveaux moteurs électriques.Afin de répondre à ce besoin, les recherches en cours ont « pour objectif de faire des propulseurs de Hall miniatures des systèmes compétitifs pour les nano- et microsatellites ». Elles se focalisent notamment sur « les ergols (solides, du type diiode, pour réduire le volume), la durée de vie (jouer sur la topologie magnétique pour augmenter la durée de vie sans détériorer les performances), la cathode (robuste, qui consomme peu d'énergie, avec un design simple) et l'architecture (matériaux, géométrie) ».
L'objectif du laboratoire Icare est de mettre au point « une gamme de propulseurs à plasma consommant quelques dizaines de watts (W) et capables de générer une poussée de 1 à 10 millinewtons ». Un prototype a déjà été « testé entre 50 et 200 W avec du xénon et du krypton. À 100 W avec du xénon, il délivre une poussée de l'ordre de 6 millinewtons ».
Aujourd'hui, les moteurs à effet Hall et les moteurs ioniques à grilles sont les deux types de propulsion électrique en service sur les satellites et les sondes. Le moteur à grilles est plutôt destiné à des missions « nécessitant une faible consommation de carburant », c'est-à-dire les « missions interplanétaires ou pour la correction d'orbite ». Le propulseur Hall, grâce à sa poussée plus importante, « est mieux adapté aux transferts d'orbites ». Il existe bien d'autres types de propulsion électrique, « par exemple, les propulseurs électrothermiques de type Helicon et ECR, les propulseurs à effet de champ et les propulseurs à force de Lorentz » mais, à l'heure actuelle, « aucun type de moteur ne semble prendre le dessus pour les petits satellites ».
Allonger la durée de vie du moteur
Les moteurs de Hall ont donc beaucoup d'avantages mais sont-ils miniaturisables et évolutifs ? « C'est tout l'enjeu d'une partie de nos travaux ! » La propulsion de Hall consiste à créer un champ magnétique pour piéger les électrons du plasma et permettre ainsi la formation d'une région à fort champ électrique. La poussée est ensuite assurée par l'extraction et l'accélération des ions positifs issus du plasma.
L'idée est celle d'un moteur « sans parois », qui « consiste à produire et accélérer les ions à l'extérieur du réacteur, dans le vide », de façon à éviter les « interactions directes entre le plasma et les parois du moteur ». Cela permet d'empêcher l'usure du moteur, ce qui allonge, de fait, sa durée de vie. « L'usure du moteur est due au fait qu'une fraction des ions percutent la paroi en sortie du propulseur, ce qui érode la céramique ». Le concept de propulseur sans parois « permet également de faire fonctionner les moteurs à plus haute tension, ce qui réduit encore la consommation de carburant ». Il faut également miniaturiser et optimiser la cathode, « qui sert à neutraliser le faisceau d'ions et aussi, pour les propulseurs de Hall, à maintenir la décharge plasma ».Astrium réfléchit « non pas à remplacer le chimique par l'électricité », mais plutôt à « combiner ces deux modes de propulsion pour la phase de mise à poste ». L'idée serait de trouver un compromis raisonnable entre gain de masse et durée du voyage. Astrium développe donc des systèmes de propulsion électrique qui permettent de « générer des poussées plus fortes que celles obtenues par les systèmes actuels (propulsion plasmique) ».
On voit combien il est difficile de dire si la propulsion électrique est une solution d'avenir. Certes, les satellites sont plus légers et par conséquent moins chers à lancer, et offrent la possibilité d'augmenter la charge utile. Comme souvent dans le domaine des satellites de télécommunications, c'est l'économie qui prévaut. Si malgré les risques et inconvénients les opérateurs y trouvent un avantage économique important, ils peuvent s'y intéresser.
Autrement dit, tout le marché ne prendra pas cette voie, mais si les opérateurs décident de s'y engager, les industriels devront avoir des solutions à proposer. Comme le souligne Eric Béranger, le responsable de la branche satellites d'Astrium, les satellites du futur ne seront pas tous « uniquement électriques mais plutôt "plus électriques" ». « Si ce marché devait s'ouvrir, Astrium aura une solution à proposer »

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