Chez EuroCryospace, ateliers de conception des réservoirs cryotechniques pour Ariane 5. © EuroCryospace

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Air Liquide, le pompiste des Ariane, veut des stations dans l'espace et sur Mars

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Les lanceurs de la famille Ariane utilisent comme ergols de l'hydrogène et de l'oxygène, liquéfiés à basse température et ce depuis de nombreuses années. On aurait tort de croire que ces techniques sont stabilisées. Des études et des progrès sont toujours en cours, notamment pour les prochaines générations de lanceurs et les missions lointaines, comme nous l'explique Xavier Vigor, directeur des technologies avancées d'Air Liquide, acteur discret mais important du spatial européen.

Dans le domaine spatial, les technologies liées à la cryogénie sont un des enjeux des prochaines étapes de l'exploration spatiale. La maîtrise de l'énergie, c'est-à-dire de la production au stockage et à sa restitution, « est cruciale pour les missions habitées d'exploration, qu'il s'agisse du fonctionnement des systèmes et des besoins des équipages, de l'exploitation de ressources in situ et de la génération d'oxygène et d'eau pour le support vie ou du maintien de la température des zones habitées ». C'est en ces termes que s'est exprimé Jean-Yves Le Gall, président du Cnes, lors d'une Table ronde sur le thème « Exploration Spatiale : le défi de l'énergie », organisée par Air Liquide en décembre 2016.

En matière de cryogénie spatiale, Air Liquide est un des leaders mondiaux sur ce marché. Basée à Sassenage, près de Grenoble, cette société réalise des équipements cryogéniques pour des lanceurs, des systèmes orbitaux, des pas de tir et des détecteurs refroidis à très basses températures pour des missions spatiales. À Sassenage, elle construit les réservoirs d'oxygène liquide du deuxième étage d'Ariane 5 et, aux Mureaux, EuroCryospace (un groupement d'intérêt économique (GIE) entre Air Liquide et Airbus Defense & Space) produit les réservoirs d'ergols du premier étage du lanceur, et bientôt ceux d'Ariane 6.

Cette expertise en cryogénie amène Air Liquide à « s'intéresser aux étapes futures de l'exploration et de l'utilisation de l'espace », nous explique Xavier Vigor, son directeur des technologies avancées (Air Liquide advanced Technologies).

Chaîne de production de l’étage principal d’Ariane 5 dans l’usine d’Airbus Safran Lanchers, aux Mureaux. © Rémy Decourt

Que ferez-vous pour le futur lanceur Ariane 6 ?

Xavier Vigor : Nous assurerons la fourniture d'équipements cryogéniques destinés à la propulsion du futur lanceur européen Ariane 6, ainsi qu'à la conception et la réalisation des systèmes de fluides cryogéniques du nouvel Ensemble de Lancement Ariane (ELA4) du Centre spatial guyanais (CSG). Nous accompagnons également le Cnes et Airbus Safran Launchers (ASL) dans toutes les études thermiques et fonctionnelles du lanceur. C'est-à-dire de la gestion des ergols (liquides cryogéniques) lors des différentes phases au sol, en vol et balistique, de la définition de nouveaux systèmes de pressurisation et de la contribution aux études de performance du lanceur et d'aide à la décision de son architecture.

Quelles solutions nouvelles pour Ariane 6 ?

Xavier Vigor : Des études nous ont permis d'améliorer la simulation du comportement des ergols cryogéniques des lanceurs et ainsi d'optimiser les réservoirs du futur lanceur Ariane 6. De ces études a découlé notamment le besoin de certains équipements supplémentaires dans l'étage supérieur, qui sont indispensables à la performance et à la « versatilité » demandées à Ariane 6, qui devra accomplir des missions plus longues et plus diverses qu'Ariane 5. Pour ce faire, le groupe Air Liquide a été choisi pour développer ces technologies indispensables à la performance du futur lanceur européen.

Le LOX, oxygène liquide, refroidi en dessous de -196 °C fait-il partie des options, avec le même objectif que SpaceX, qui utilise du LOX à -207 °C, pour augmenter les performances de son lanceur Falcon 9 ?

Xavier Vigor : Cela fait effectivement partie de nos projets de développement des lanceurs du futur. Sur-refroidir le LOX permet de le densifier. Plus froid, il prend moins de place, ce qui permet de stocker une quantité plus grande dans un même réservoir, d'où un gain de performance, ce qui est notre objectif.

Le Cnes et ASL étudient un moteur spatial réutilisable et low cost avec un ergol à base d'hydrocarbures, très certainement du méthane, plutôt que de l'hydrogène liquide. C'est une piste de réflexion pour vous ?

Xavier Vigor : La propulsion LOX-méthane fait en effet partie des développements futurs sur lesquels nous travaillons.

Tube à gaz pulsé développé par Air Liquide. Il s'agit d'un cryoréfrigérateur permettant de maintenir à très basse température les instruments à infrarouge mis en orbite, notamment pour l’observation de la Terre. © Air Liquide, L. Lelong

Dans le domaine de la cryogénie spatiale, y a-t-il des ruptures technologiques à venir ?

Xavier Vigor : Dans le domaine des lanceurs, nous travaillons au développement de lanceurs réutilisables, à des solutions de stockage spatial pour des missions de longue durée et des petits lanceurs. Dans le domaine des satellites, on s'intéresse de près aux cryorefroidisseurs pour satellites d'observation de la Terre, à la propulsion électrique au xénon et au contrôle thermique. Enfin, nous nous intéressons aussi à la question du ramassage des débris spatiaux.

Dans le futur, la cryogénie peut-elle jouer un rôle lors de missions habitées au-delà de l'orbite terrestre ?

Xavier Vigor : Oui. En matière d'exploration lointaine, nous réfléchissons à l'utilisation de gaz (oxygène, hydrogène et méthane) issus des ressources du sol lunaire et de Mars. Il faudra savoir les produire et aussi les liquéfier pour les stocker, puis mettre au point la production d'énergie à partir d'eux pour les supports à la vie, ainsi que pour les transports spatiaux.

Début 2000, vous avez conçu les systèmes de refroidissement à très basse température des satellites Planck et Herschel à partir de technologies cryogéniques innovantes pour l'époque. Herschel et Planck ont-ils laissé un héritage ?

Xavier Vigor : Oui. Les compétences acquises avec ces deux programmes sont aujourd'hui notamment utilisés dans le développement de cryorefroidisseurs pour les satellites d'observation de la Terre, surtout ceux qui fonctionnent dans l'infrarouge comme Sentinel 2 ou les futurs satellites Meteosat de troisième génération.

Autre exemple d'utilisation, sur Planck, il a fallu pendant deux années et demie de vol spatial réguler des débits d'hélium gazeux avec une précision et une stabilité extrêmes. Aujourd'hui, on est capable de fournir des systèmes qui régulent des microdébits de xénon durant plusieurs années sur des constellations de satellites équipés de moteurs à propulsion ionique. Ces moteurs accélèrent les ions de xénon sous l'effet d'un fort champ électrique, créant ainsi une force de réaction faible mais très efficace pour propulser les satellites.

Enfin, dans un tout autre registre, une nouvelle génération d'ordinateurs surpuissants est en gestation dans les laboratoires : les ordinateurs quantiques. Or, les puces de ces machines, qui portent les Q-bits, doivent être refroidies à des températures proches du zéro absolu. Cela se fait avec des refroidisseurs similaires à celui fabriqué par Air Liquide pour Planck.