Moteur ionique : du Xénon pour les voyages spatiaux low-cost

Nouvelle génération de moteurs pour la propulsion de satellites

Dans l'optique de dépasser les limites de nos connaissances de l'Univers, les futures navettes spatiales devront être capables de voyager plus loin, plus longtemps. La quantité de combustible nécessaire et par conséquent les coûts des missions deviennent alors considérables. Des économies pourront être réalisées en utilisant des moteurs ioniques qui remplacent déjà les moteurs conventionnels des satellites depuis une décennie. Leur mode de fonctionnement basé sur l’ionisation d’un gaz, appelé xénon, permet de réduire significativement la consommation de carburant.

Dans l'optique de dépasser les limites de nos connaissances de l'Univers, les futures navettes spatiales devront être capables de voyager plus loin, plus longtemps. La quantité de combustible nécessaire et par conséquent les coûts des missions deviennent alors considérables. Des économies pourront être réalisées en utilisant des moteurs ioniques qui remplacent déjà les moteurs conventionnels des satellites depuis une décennie. Leur mode de fonctionnement basé sur l’ionisation d’un gaz, appelé xénon, permet de réduire significativement la consommation de carburant.

Contrairement aux moteurs traditionnels, le moteur ionique ne brûle pas son combustible. Il utilise une énergie, provenant par exemple de panneaux solaires, pour ioniser et propulser des atomes de Xénon qui seront par la suite éjectés ce qui permettra l'accélération du vaisseau spatial.

Un moteur à plasma d’ions 

A l’intérieur du moteur se trouve d'abord une chambre d'ionisation dans laquelle des électrons sont bombardés sur des atomes de Xénon pour produire des ions positifs. Ceux-ci entrent alors dans une zone d’accélération créée par deux grilles de charges opposées qui leur fournissent une vitesse de propulsion de l'ordre de quelques kilomètres par seconde. Le plasma ainsi formé est ensuite neutralisé et rejeté dans l'espace pour fournir des poussées permettant, à partir de la vitesse initiale de 24 000 km/h, d'atteindre une vitesse de croisière d’environ 40 000 km/h. Cependant l'accélération produite par la propulsion ionique est très lente puisque plus de trois jours sont nécessaires pour passer de 0 à 100 km/h. Il faut noter que dans l'espace, c'est-à-dire dans le vide spatial, les corps en mouvement sont dépourvus de forces de frottements. Cela pourrait s'apparenter à vouloir nager dans l'air. L'effort à exercer serait plus conséquent que le même mouvement dans l'eau car la résistance de l’eau sur laquelle on s’appuie pour nager est plus forte de celle de l’air. Néanmoins, ce qui semblait s’avérer comme un inconvénient est en réalité un point positif dans un milieu où l'endurance prime sur la puissance.

 Lunar CRater Observation and Sensing Satellite (LCROSS)NasaLunar CRater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) Crédits : Nasa

Pourquoi le Xénon ?

Le Xénon est un gaz rare, inerte naturellement et présent dans l'atmosphère. Il est très stable à l'état neutre et très facile à ioniser. C’est un élément lourd qui passera donc plus lentement dans la zone d'accélération ce qui lui permet d’acquérir davantage d'énergie. Avec son importante masse atomique, le Xénon permet une propulsion plus importante que celle réalisée avec d'autres gaz nobles plus légers, par exemple le Krypton ou l'Argon, pourtant dix fois moins chers.

Un moteur très économique

L’utilisation de l'énergie produite par des panneaux solaires disposés sur le vaisseau permet d’éviter un surplus de carburant. Le moteur ionique diminue donc considérablement les quantités de combustible embarqué. La navette est ainsi plus légère et nécessite moins d’énergie pour effectuer son voyage dans l'espace. Comparé à un moteur traditionnel, on estime que la consommation est réduite de cinq à six fois en utilisant du Xénon.

Des moteurs expérimentaux ont déjà été utilisés pour la propulsion de Smart-1 et Deep Space 1, deux satellites lancés dans l'espace afin de tester des équipements de haute technologie et des instruments scientifiques de pointe. Deep Space 1 a prolongé sa mission en s'approchant d'un astéroïde et de la comète Borrelly. Quant à Smart-1, il a été placé en orbite autour de la Lune. Les résultats de cette expérience faciliteront la mise en œuvre de la mission BepiColombo par l'Agence Spatiale Européenne ayant pour objectif d'explorer la planète Mercure. 

Au delà des applications liées à l'exploration des planètes, les moteurs ioniques pourraient être utilisés pour la propulsion dans l’espace de satellites géostationnaires. Leur lancement en orbite coûte des dizaines de milliers d'euros par kilo. Leur poids est donc au cœur d'une véritable stratégie économique. Des petits satellites (dont le poids est inférieur à 100 kg) pourront aussi être équipés de ce système. Le moteur n’a pas la puissance de propulser les satellites en orbite mais il permettrait de modifier leur trajectoire une fois en place si nécessaire. Grâce à ce moteur, l'ère de l'exploration spatiale low-cost est à présent à l'ordre du jour.

  

En savoir plus :

CleanSpace One : un nanosatellite nettoyeur de débris spatiaux doté d'un moteur ionique 

Smart-1 : une mission test autour de la Lune 

Des moteurs ioniques pour propulser des satellites

Principe de fonctionnement du moteur ionique 

Comments

G Rojma 4 years ago

Bonjour

bravo pour votre article tres didactique sur ce sujet assez pointu et au centre de tres gros enjeux industriels en ce moment.
Je trouve juste dommage que vous employez autant le future quand une grande partie de ce que vous evoquer dans la derniere partie est deja en utilization et est en train de devenir le nouveau standard.
En effet cel fait maintenant 14 que le premier satellite commercial occidental utilisant la propulsion electrique a ete vendu. Depuis de nombreux autres satellites utilize la propulsion electrique, sans compter que en Russie plusieurs dizaines de satellites utilize ces moteurs depuis le debut des annees 80

en fait on pourrais meme avancer que dans ce domaine les agencies spatiales sont devancees par les applications commercial et se sont averee extrement prudente et timide dans l adoption de ces nouvelles technologies de rupture

neamoins bravo pour votre bel article d'explicitation