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L'ESA teste avec succès le premier moteur "ultra-ionique"

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L'Agence spatiale européenne et l'Université Nationale Australienne (ANU) viennent de tester avec succès un nouveau type de moteur ionique, nommé Dual-Stage 4-Grid (DS4G), 10 fois plus performant que celui embarqué sur Smart-1. Selon l'ESA, les capacités de ce nouveau moteur surpassent nettement celles des propulseurs d'aujourd'hui, et son développement ouvre de nouveaux horizons à la conquête spatiale.

Le moteur "ultra-ionique" en action dans les laboratoires de l'ESTEC (Crédits : ESA)
Le moteur ionique DS4G, pendant sa campagne de test à l'ESTEC (Crédits : ESA)

Les moteurs ioniques

Le principe du moteur ionique repose sur l'ionisation d'un gaz à l'aide d'un courant électrique. Les particules chargées produites par ionisation sont accélérées par un champ électrique et expulsées à très grande vitesse dans une tuyère. S'ils délivrent une très faible poussée, les moteurs ioniques peuvent fonctionner pendant des années, et rattrapent donc sur la longueur les moteurs à ergols, beaucoup plus puissants, mais à la durée de vie nettement plus limitée.

Comparé à la propulsion chimique, le moteur ionique est très économique : à puissance égale, un moteur ionique consomme dix fois moins de combustible qu'un moteur-fusée classique à base d'ergols. Un peu de gaz xénon et d'électricité (fournie dans le cas de Smart-1 par les panneaux solaires) suffisent.

Ce type de moteur a été expérimenté pour la première fois sur Deep Space 1, en 1998, puis sur Smart-1 en 2003.

Vue d'artiste du moteur ionique de Smart-1 (Crédits : ESA)

DS4G, la Rolls des moteurs ioniques

Le nouveau moteur développé par l'ESA est 10 fois plus performant que celui utilisé sur Smart 1 : « En utilisant une quantité similaire de gaz inerte que sur Smart-1, avec une puissance électrique adaptée, les futurs véhicules spatiaux qui utiliseront notre nouveau type de moteur n'atteindront pas seulement la Lune, mais devraient être capables de quitter le système solaire ! » a déclaré avec enthousiasme, Roger Walker, directeur technique du projet.

Traditionnellement, les moteurs ioniques sont constitués d'une chambre contenant les particules, et de trois grilles proches les unes des autres, chacune percée de milliers d'orifices d'un millimètre de diamètre. On applique une tension de plusieurs milliers de volts à la première grille, et une basse tension à la seconde. La différence de potentiel entre les deux grilles génère un champ électrique qui, dans le même temps, « tire » et accélère les ions de la chambre, avant de les expulser à grande vitesse dans la tuyère.

Naturellement, plus le champ électrique est intense, plus les ions gagnent en vitesse, et meilleur est le rendement du moteur. Néanmoins, si la différence de potentiel est trop importante (de l'ordre de 5 000 volts), la collision des ions avec la seconde grille peut endommager cette dernière et limiter la durée de vie du moteur dans l'espace.

L'innovation du DS4G est le découplage des phases d'extraction et d'accélération, par l'utilisation de quatre grilles. Ainsi, le moteur ionique peut être découpé en deux étages :

  • Un étage d'extraction, contenant deux grilles très proches l'une de l'autre, opérant à haute tension, mais entre lesquelles la différence de potentiel ne dépasse pas 3000 volts. Ainsi, le champ électrique « tire » les ions hors de la chambre sans risque de collision et d'endommagement des grilles ;
  • Un second étage, dont les deux grilles sont davantage éloignées l'une de l'autre. Contrairement au premier étage, elles opèrent à basse tension.

Enfin, la grande différence de tension entre les deux paires de grille permet d'accélérer fortement les ions. Ainsi, dans le cas du modèle testé dernièrement par l'ESA, la différence totale de potentiel s'élève à 30 000 volts et amène les particules chargées à la vitesse de 210 km/s (contre 30 km/s dans le cas de Smart-1), soit une vélocité quatre fois supérieure à celle des moteurs ioniques actuels les plus avancés.

Encore du chemin à parcourir…

Si le test du DS4G a été couronné de succès, il n'est pas encore prêt à être intégré dans les lanceurs : ainsi, José Gonzalez, responsable de la section Propulsion électrique de l'ESA, explique que le prochain objectif est de transférer cette technologie du stade de l'expérimentation à celui d'un modèle de vol, afin de définir avec précision les missions que le moteur pourra accomplir.

A terme, ce moteur « ultra-ionique » pourrait envoyer un engin spatial jusqu'aux confins de notre système solaire, voire au-delà. Mais, pour l'heure, il augure déjà de belles avancées dans le domaine de la propulsion spatiale...

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