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Un moteur ionique dans un dé à coudre pour minisatellite

L'idée du moteur ionique fait son chemin depuis plus d'un siècle. Plusieurs variantes ont été proposées, notamment par le chercheur français Marcel Guyot. Utilisant des aimants et non des bobines magnétiques, une version miniature tenant largement dans un dé à coudre devrait bientôt équiper Robusta-3, un satellite miniature d’environ 1 kg.

Le minimoteur ionique avec des aimants permanents. © CNRS/Marcel Guyot Le minimoteur ionique avec des aimants permanents. © CNRS/Marcel Guyot

Un moteur ionique dans un dé à coudre pour minisatellite - 2 Photos

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Le premier chercheur à mentionner publiquement, en 1911, l’idée d’accélérer des électrons ou des ions pour la propulsion d’un vaisseau spatial a été également l’un des principaux fondateurs de l’astronautique : Constantin Tsiolkovski. Influencé par les romans de Jules Verne et les idées de son mentor (l’une des principales figures du Cosmisme russe préfigurant étrangement le contenu du roman d’Arthur Clarke, 2001, l’Odyssée de le l’espace), Tsiolkovski a utilisé ses compétences en mathématiques pour l’étude des lois du voyage interplanétaire. Il a ainsi découvert, entre autres, une équation reliant la quantité de carburant nécessaire pour atteindre une vitesse donnée à la vitesse d’éjection des particules d’un moteur de fusée. Il en découlait que plus la vitesse d’éjection était élevée, moins il fallait de carburant.

Les moteurs à propulsion chimique atteignent rapidement leurs limites pour la vitesse d’éjection des gaz. Il n’en est pas de même pour des moteurs ioniques qui peuvent en théorie accélérer des particules chargées au moyen de champs électriques ou électromagnétiques à des vitesses très élevées. L’idéal serait bien sûr d’atteindre presque la vitesse de la lumière.

L'un des principaux pionniers de l'astronautique, constantin Tsiolkovsky. © DP
L'un des principaux pionniers de l'astronautique, constantin Tsiolkovsky. © DP

Deux autres chercheurs ont eu l’idée du moteur ionique presque en même temps que Tsiolkovski. Il s’agissait, ce n'est pas surprenant, des deux autres principaux fondateurs de l’astronautique : l’Allemand Hermann Oberth et l’Américain Robert H. Goddard. Ce dernier a même construit un prototype de moteur ionique dès 1916. Mais ce sont surtout les chercheurs et ingénieurs russes du temps de l’ex-Union soviétique qui ont vraiment développé le concept dans les années 1960, concrétisé sur de nombreux satellites dans les années 1970. Ces moteurs de faible poussée n'étaient alors utilisés que pour les corrections d’orbites.

Les moteurs ioniques développés par les savants russes étaient plus précisément des propulseurs à effet Hall, utilisant un champ magnétique pour piéger les électrons qui servent à ioniser un gaz, comme l’explique la vidéo ci-dessous.


Les principes de base d'un propulseur à effet Hall sont expliqués au début de cette vidéo. Vient ensuite un exemple de réalisation de ce type de moteur ionique. © harribeydom/YouTube

Le premier vol d’un satellite équipé d’un moteur a eu lieu en 1972 avec le SPT-50 (Stationary Plasma Thruster) sur le satellite Meteor. Après la chute de l’URSS, la technologie a été transférée vers l’ouest au début des années 1990. La Nasa s’y est bien sûr intéressée car elle travaillait elle aussi sur le moteur ionique depuis des décennies. En France, c’est la Snecma qui mit à profit ces connaissances. Le résultat a été le moteur PPS-1350 équipant la sonde Smart-I de l’Esa, lancée le 27 septembre 2003 par la fusée Ariane 5G.

Un moteur ionique dans un satellite de 1 kg : Robusta-3

Il y a une dizaine d’années, un chercheur français, Marcel Guyot, du Groupe d’études de la matière condensée (Gemac-CNRS/université Versailles Saint-Quentin) a eu l’idée de remplacer les bobines générant le champ magnétique du propulseur à effet Hall par des aimants permanents. La raison principale est que des bobines magnétiques nécessitent du courant provenant de panneaux solaires ou d’un générateur nucléaire pour des vols éloignés du Soleil. Mais cela entraîne un surpoids et donc un surcoût pour le lanceur.


On peut s'amuser à spéculer sur le film Iron man en se demandant si les propulseurs de l'armure dont le carburant semble inépuisable ne sont pas justement des minimoteurs ioniques à effet Hall surpuissants à très faible consommation... © movieclips-Paramount/YouTube

Les chercheurs français sont parvenus à se passer efficacement de ces bobines. Un aimant de 3 mm peut ainsi remplacer une bobine de 3 cm et c’est ainsi que le plus petit propulseur à plasma jamais conçu (il n'occuperait que la moitié d'un dé à coudre) équipera un satellite miniature d’environ 1 kg. Il s'agira d'une nouvelle version du satellite Robusta qui a déjà été lancé par Vega.

Les moteurs ioniques sont certainement appelés à un bel avenir, d'autant plus s’ils peuvent être miniaturisés car en réduisant aussi la taille des satellites, ils peuvent aider à limiter la pollution spatiale alors que des centaines de milliers de débris jonchent déjà l’espace.

Ils ont déjà équipé les sondes Deep Space 1, Hayabusa et même Dawn. On pourrait imaginer que des moteurs ioniques miniaturisés soient précisément la solution pour réaliser l’armure d’Iron man mais c’est malheureusement douteux. Les moteurs ioniques éjectent certes des particules à grandes vitesses en utilisant peu de carburant mais ils ne sont pas assez puissants pour permettre de lancer un satellite, ils ne sont adaptés qu’au voyage interplanétaire et peut-être interstellaire, comme l’illustre Avatar.


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