Propulseurs ioniques : plus seulement pour les chasseurs TIE

Les moteurs de fusée pour engins spatiaux se présentent sous diverses formes et utilisent une variété de carburants, mais la plupart reposent sur des réactions chimiques pour faire exploser les propulseurs hors d’une tuyère, la force de réaction entraînant l’engin spatial dans la direction opposée. Ces fusées offrent une poussée élevée, mais elles sont relativement peu économes en carburant et donc, si vous voulez un grand changement de vitesse, vous devez transporter beaucoup de carburant lourd. La mise en orbite de ce carburant coûte également cher !

Les propulseurs ioniques, sous leurs différentes formes, offrent une solution alternative – une poussée minuscule, mais un rendement énergétique élevé. Cette petite poussée ne vous fera pas décoller sur Terre. Cependant, lorsqu’il est appliqué sur une longue période de temps dans le vide de l’espace, il peut entraîner un énorme changement de vitesse, ou delta V.

Ce mode de fonctionnement signifie qu’un propulseur ionique et une petite masse de carburant peuvent théoriquement créer un delta-V beaucoup plus grand que les fusées chimiques, parfait pour les missions spatiales à longue portée vers Mars et d’autres applications également. Jetons un coup d’œil au fonctionnement des propulseurs ioniques et à certaines de leurs applications intéressantes dans le monde des engins spatiaux !

Tout est question d’impulsion spécifique

Les moteurs de fusée chimiques fournissent une poussée énorme mais sont assoiffés en matière de carburant.
Les moteurs ioniques ne vous sortiront pas bien de la gravité terrestre, ni ne fonctionnent dans l’atmosphère, mais deviennent utiles lorsque vous êtes dans le vide de l’espace. Crédit : NASA, domaine public

Avant de plonger dans le monde des propulseurs ioniques, il est important de comprendre le concept d’impulsion spécifique et d’efficacité énergétique pour les propulseurs de fusée de toutes sortes. L’impulsion spécifique mesure l’efficacité avec laquelle un moteur-fusée crée une poussée à partir de la masse qu’il projette à l’arrière, que ce soit par voie chimique ou par tout autre moyen. Plus l’impulsion spécifique d’un propulseur de fusée est élevée, plus il génère de poussée par masse de carburant.

L’impulsion est l’intégrale de la force dans le temps, mesurée en Newton-secondes. L’impulsion spécifique, où l’on regarde l’impulsion par poids de propulseur, est donc mesurée en Newton-secondes divisé par Newtons, ou simplement secondes. C’est un peu déroutant de comprendre, mais pour les nouveaux initiés, gardez simplement à l’esprit qu’un nombre plus élevé d’impulsions spécifiques signifie une plus grande efficacité énergétique.

À titre de comparaison, les propulseurs de fusée solides de la navette spatiale reçoivent une impulsion spécifique de seulement 250 secondes, tandis que les moteurs de fusée à oxygène liquide et à hydrogène liquide peuvent atteindre plus près de 450 secondes. Les propulseurs ioniques électrostatiques sont presque d’un ordre de grandeur meilleurs, de l’ordre de 2 000 à 3 000 secondes, certains atteignant plus près de 10 000 secondes dans les expériences, tandis que le propulseur ionique électromagnétique expérimental VASIMR prédit une impulsion spécifique jusqu’à 12 000 secondes.

Cette meilleure efficacité énergétique a de réelles implications pour les voyages spatiaux. Cela signifie qu’un propulseur ionique peut atteindre un changement de vitesse donné pour un engin spatial avec beaucoup moins de carburant – un ordre de grandeur de moins, à certains égards. Dans une demande concernant le maintien en orbite de l’ISS, un calcul a suggéré qu’un propulseur ionique pourrait réduire la consommation annuelle de carburant de la station spatiale de 7 500 kg à seulement 300 kg. Cela a des effets sur le débit, où les lanceurs transportant ce carburant vers la station spatiale ont eux-mêmes besoin de moins de carburant pour le propulser en orbite, améliorant ainsi l’efficacité à tous les niveaux.

Comment fonctionne la poussée via l’électricité

Les propulseurs ioniques se présentent sous diverses formes, mais le principe de base est simple : l’électricité est utilisée pour accélérer les ions à une vitesse élevée, les expulsant du propulseur, entraînant ainsi une force de réaction qui propulse le vaisseau spatial lui-même. Un gaz neutre est utilisé comme carburant, qui est ionisé en éliminant les électrons des atomes, ce qui entraîne un apport d’ions positifs qui peuvent facilement être accélérés par des moyens électrostatiques ou électromagnétiques pour générer une poussée. Le xénon, le krypton ou l’argon sont des choix courants pour ces propulseurs, bien que d’autres matériaux, comme le magnésium, le zinc et l’iode aient été expérimentés dans certaines conceptions. Cependant, la grande majorité des propulseurs ioniques reposent sur des propulseurs gazeux.

Propulseurs électrostatiques

Un schéma d’un propulseur ionique électrostatique à grille. L’usure des grilles dans le temps limite la durée de vie de ces propulseurs. Crédit : NASA

Les propulseurs ioniques électrostatiques utilisent diverses méthodes pour accélérer les ions afin de générer une poussée. Les propulseurs ioniques électrostatiques à grille sont l’une des conceptions les plus populaires, où le gaz propulseur est bombardé d’électrons pour former un plasma ionisé. Un ensemble d’électrodes en grille est ensuite chargé avec une différence de potentiel, accélérant les ions positifs hors du propulseur. Une cathode séparée décharge ensuite des électrons de faible énergie dans le flux d’échappement du propulseur pour s’assurer que le vaisseau spatial ne se retrouve pas avec une charge négative nette.

Les propulseurs à effet Hall remplacent les électrodes à grille par une anode de distribution de gaz et un nuage d’électrons confiné magnétiquement agissant comme la cathode elle-même. Les ions positifs les plus lourds sont accélérés hors du propulseur, tandis que les électrons les plus légers restent confinés dans le champ magnétique. De même, une cathode externe est utilisée pour neutraliser le flux d’échappement comme dans les conceptions de propulseur à grille.

Un schéma d’un propulseur à effet Hall. Des centaines de ces propulseurs ont été utilisés pour le maintien en station des satellites soviétiques au XXe siècle. Crédit : Finlay McWalter, domaine public

Ces conceptions ont été largement utilisées dans les missions du monde réel. L’une des premières applications était dans les satellites soviétiques, qui utilisaient des propulseurs à effet Hall au lieu de fusées chimiques pour le maintien en position. C’est là que les satellites doivent appliquer périodiquement une poussée au fil du temps pour contrer la traînée atmosphérique subtile qu’ils subissent. La poussée minuscule fournie par les propulseurs à effet Hall convient parfaitement à cet effet, appliquée sur une longue période pour un changement global significatif de vitesse. La consommation électrique de ces propulseurs était de l’ordre de 1,35 kW, générant 83 mN de poussée pour une impulsion spécifique d’environ 1 500 à 3 000 secondes.

Une application plus récente de la technologie concerne la station spatiale chinoise Tiangong, qui utilise quatre propulseurs à effet Hall pour maintenir son orbite dans le temps. La NASA espère également faire voler la technologie sur le prochain vaisseau spatial Psyche, qui utilisera quatre propulseurs à effet Hall SPT-140. Chargé de 922 kg de propulseur au xénon, les ingénieurs ont estimé qu’il faudrait 15 fois plus de propulseur si Psyche s’appuyait plutôt sur des fusées chimiques.

Un propulseur à effet Hall SPT-140 en cours de test. Quatre de ces propulseurs seront installés sur le vaisseau spatial Psyche de la NASA. Crédit : NASA, domaine public

Les propulseurs ioniques à grille ont également été largement utilisés. Le moteur ionique NSTAR de la NASA a été installé sur la sonde Deep Space 1, qui a été envoyée survoler une comète et un astéroïde à la fin des années 1990. Le moteur ionique à grille n’a produit que 92 mN de poussée pour 2,1 kW de puissance, mais son impulsion spécifique élevée de 1 000 à 3 000 secondes a permis un gain de masse important par rapport à une solution de fusée chimique pour son voyage interplanétaire. Le propulseur ionique, alimenté au gaz xénon, a fonctionné pendant un total de 16 265 heures au cours de la mission, fournissant un changement total de vitesse (delta-V) de 4,3 kilomètres par seconde, le plus grand pour tout vaisseau spatial reposant sur son propre système de propulsion embarqué.

D’autres missions dans l’espace lointain se sont également appuyées sur cette technologie. La sonde Hayabusa de la JAXA s’est appuyée sur un propulseur ionique pour l’aider à rejoindre l’astéroïde Itokawa. La mission Dawn de la NASA a également utilisé la technologie, étant équipée de trois des mêmes propulseurs à ions xénon utilisés dans le programme Deep Space 1, bien qu’en ne tirant qu’un à la fois dans la pratique. La NASA était plus que disposée à souligner la faible poussée disponible du système de propulsion, notant que 0-60 mph prendrait quatre jours, ce qui se compare mal aux 3,5 secondes obtenues par la Ferrari moderne moyenne.

Propulseurs électromagnétiques

Un prototype magnétoplasmadynamique (MPD) testé par la NASA. Crédit : NASA, domaine public

Les propulseurs ioniques électromagnétiques génèrent leur poussée à partir d’un plasma neutre, composé apparemment d’un nombre égal d’ions positifs et d’électrons négatifs, et sont souvent appelés « propulseurs à plasma » dans la littérature. Ils viennent dans une variété de modèles, dont la plupart utilisent l’énergie radio pour ioniser le gaz dans une chambre. Un champ magnétique est ensuite généré pour accélérer le plasma globalement neutre hors du propulseur. Ces conceptions ont souvent l’avantage de ne pas avoir besoin d’électrodes de neutralisation spéciales pour corriger le déséquilibre de charge de l’échappement, ni d’électrodes dans le flux de gaz pour accélérer les ions, réduisant ainsi une source d’usure par rapport aux conceptions électrostatiques.

L’un des exemples les plus développés est le propulseur VASIMR VX-200, qui est en développement depuis 2008 sous diverses formes par Ad Astra Rocket Company. L’objectif est de faire fonctionner le propulseur à un niveau de puissance de 100 kW pendant 100 heures, pour indiquer comment le propulseur peut générer un énorme delta-V pour des missions à long terme. En juillet 2021, l’entreprise a franchi le cap des 82,5 kW pendant 28 heures. Le propulseur fonctionne avec une vitesse d’échappement de l’ordre de 50 km/s, avec une impulsion spécifique d’environ 5 000 secondes.

Les conceptions électromagnétiques promettent souvent des poussées plus importantes que les propulseurs électrostatiques, bien que la plupart en soient encore au stade de la recherche. Les problèmes avec de telles conceptions incluent des problèmes de consommation d’énergie élevée et des problèmes de gestion de la chaleur perdue. Si ceux-ci pouvaient être surmontés, des conceptions telles qu’un propulseur électromagnétique VASIMIR à grande échelle pourraient propulser un vaisseau spatial de la Terre à Mars en seulement 39 jours, par rapport au voyage de six mois d’une fusée chimique conventionnelle. La seule chose est que vous auriez besoin d’une alimentation électrique capable de fournir quelque part dans le domaine de 10 à 20 mégawatts de puissance, et de l’adapter à un vaisseau spatial.

Regarder vers l’avenir

Les propulseurs ioniques sous leurs diverses formes sont en quelque sorte une technologie qui n’a pas encore fait ses preuves. Ils ont déjà fait de grandes choses, emmenant de petites sondes spatiales vers des destinations lointaines tout en nécessitant beaucoup moins de carburant en cours de route. Cependant, nous sommes encore loin de les utiliser pour nous aider à amener les humains vers des destinations au-delà de notre propre orbite. Il reste encore beaucoup de développement à faire avant de piloter un engin à propulsion ionique lors de vos futures vacances dans l’espace, mais dans 50 ou 100 ans environ, un engin ionique pourrait bien être le bon billet pour Mars !