Décollage du lanceur Long March 4B (CZ-4B) du Centre de lancement de satellites de Taiyuan avec à son bord d'observation de la Terre Gaofen 7 et trois satellites auxiliaires dont celui de Spacety. © CASC
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Un moteur électrique inédit propulsé à l'iode

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ThrustMe, une entreprise « spin-off » du Laboratoire de physique des plasmas, a réussi un beau pari technologique en développant un système de propulsion à iode inédit destiné aux très petits satellites. Pour ce type de CubeSat, s'il existe de nombreux systèmes disponibles sur le marché que l'on trouve chez Busek, Fakel, Enpulsion, Aerojet par exemple, aucun d'eux n'est bien adapté pour délivrer une forte poussée. Et mieux les piloter en orbite est un enjeu économique majeur.

Il y a quelques semaines, un Cubesat 6U construit par Spacety a été lancé dans l'espace par un lanceur Long March 4B (CZ-4B) du centre de lancement de satellites de Taiyuan dans la province chinoise du Shanxi. Ce satellite a pour particularité d'être propulsé par de l'iode solide, utilisé comme propergol ! Petite précision à toutes fins utiles, ce moteur ne fonctionne évidemment pas avec du sel. L'iode dont il question est l'élément chimique qui porte le numéro 53 dans la classification périodique des éléments. Plus précisément, c'est du di-iode I2 qui est la forme stable de l'iode.

Par son fonctionnement avec du di-iode donc, ce système de propulsion à gaz froid, non pressurisé, est unique en son genre. I2T5, c'est son nom, a été développé et construit par ThrustMe, une entreprise « spin-off » du Laboratoire de physique des plasmas (LPP, CNRS/École polytechnique/Observatoire de Paris/Université Paris-Sud/Sorbonne Université).

Comme nous l'explique Stéphane Mazouffre, directeur de recherche au CNRS au sein du laboratoire Icare à Orléans, qui travaille sur de nouvelles générations de moteurs électriques, le « concept de propulseurs à gaz froid (Cold gas thruster) miniatures est intéressant pour les petits satellites ». L'idée consiste à « passer d'un carburant typiquement gazeux (azote et xénon le plus souvent) à un carburant solide », avec à la clé de nombreux avantages.

Le satellite Dianfeng de Spacety équipé du système de propulsion à iode de ThrustMe, une « spin-off » du Laboratoire de physique des plasmas (LPP). © Spacety

Par exemple, en volume, ce moteur ne prend quasiment pas de place vu qu'il peut être logé dans la moitié d'une unité (typiquement 10 x 10 cm2), à l'intérieur de laquelle se trouvent l'ensemble de l'électronique, la fluidique, le carburant et le moteur lui-même. Cet aspect du moteur représente une « grosse innovation dans le domaine de la propulsion électrique spatiale car il est 40 % plus petit que les moteurs miniaturisés classiques » tient à nous préciser Ane Aanesland, cofondatrice de ThrustMe. Autre intérêt, et non des moindres, il n'est « plus nécessaire d'avoir un réservoir à haute pression qui ajoute de la complexité et engendre des risques d'explosion en orbite », ajoute Stéphane Mazouffre. Enfin, ce moteur n'a besoin que de cinq watts de puissance pour fonctionner. Comme point faible par rapport à un gaz froid classique, Stéphane Mazouffre identifie la « complexité plus grande du système car il faut vaporiser l'iode en chauffant le solide autour de 100 °C », ce qui peut amoindrir la fiabilité du moteur.

Le système de propulsion à iode I2T5 de ThrustMe. Il est ici vu en cours d'intégration dans le CubeSat de Spacety. © Spacety

Conçu pour les CubeSats, l'I2T5 répond à des besoins pas suffisamment bien pourvus aujourd'hui mais essentiels à l'avenir des constellations de très petits satellites. Aujourd'hui, la majorité des CubeSats 3U et 6U ne dispose d'aucune capacité de propulsion car « aucune solution viable, sûre, simple et à bas coût n'est disponible sur le marché », précise Ane Aanesland. Les opérateurs de satellites « sont las des propulseurs traditionnels, tels que les systèmes sous pression ou les propulseurs inflammables, qui sont souvent chers et requièrent de nombreuses précautions de sureté », ajoute-t-elle. Malgré une impulsion spécifique faible, de l'ordre de 75 newtons-seconde (Ns), ce moteur pourrait être utilisé comme propulseur pour pouvoir contrôler la trajectoire de ces CubeSats, « non seulement pour ajuster leur orbite mais également pour éviter toute collision ou encore gérer leur durée de vie ». Ce moteur, comme d'autres, pourra être utilisé pour « compenser les effets de la traînée générée par l'atmosphère résiduelle sur les satellites en orbite basse », ce qui de facto, « augmentera leur durée de vie », conclut Ane Aanesland.

Rendre les CubeSats pilotables

Cela dit, si par rapport à ses concurrents, ce moteur a pour intérêt « un coût assez bas et une relativement forte poussée qui réduit le temps de manœuvre », sa très faible impulsion spécifique « entraîne une forte consommation de carburant », souligne Stéphane Mazouffre.

On estime à 8.600 le nombre de petits satellites de moins de 500 kilogrammes à lancer d'ici 2028, dont environ 3.000 seront de type 3U (moins de 10 kilogrammes). La part des constellations représente 83 %, ce qui pousse de nombreux experts, dont Stéphane Mazouffre, à « estimer qu'il faut rendre obligatoire l'installation de systèmes propulsifs dédiés à l'évitement sur tous ces futurs CubeSats » pour d'une part, se conformer à la règle dite des 25 ans qui impose que tout satellite en orbite basse soit rentré dans l'atmosphère avant un quart de siècle après la fin de sa mission et d'autre part, sécuriser les activités en orbite basse avec la capacité à contrôler la trajectoire pour éviter les collisions et à éliminer les satellites obsolètes.

En conclusion, si le moteur de ThrustMe répond à ces besoins, il faut tout de même le comparer aux résistojets qui éjectent un gaz préalablement chauffé (vers 800-1.000 °C), ce qui augmente l'impulsion spécifique et réduit la consommation par rapport aux moteurs à gaz froid.

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