Une “petite” modification (française) dans la conception d’un moteur de l’espace nous rapproche un peu plus de Mars

Fin 2014, des physiciens en France ont présenté leurs premiers travaux visant à optimiser un type de propulseur électrique existant, qui utilise un flux de plasma se déplaçant à 72 420 kilomètres par heure, pour propulser un engin spatial, ce qui lui permet de fonctionner avec 100 millions de fois moins de carburant que les fusées classiques. Ils viennent de publier la synthèse de leurs travaux qui ont bien avancés depuis.

Appelés propulseur à effet Hall, ces moteurs ont fonctionné dans l’espace depuis 1971 et sont maintenant systématiquement embarqués sur les satellites de communication et les sondes spatiales pour régler leurs orbites lorsque cela est nécessaire. Les scientifiques aimeraient les utiliser pour envoyer des humains vers Mars, sauf qu’il y a un assez grand problème : la durée de vie actuelle d’un propulseur Hall se limite à 10 000 heures de fonctionnement, ce qui est beaucoup trop court pour la plupart des missions d’exploration de l’espace, qui nécessitent plus de 50 000 heures.

Les propulseurs à effet Hall fonctionnent presque comme les propulseurs ioniques, qui envoient un flux d’ions chargés d’une anode à une cathode (électrodes chargées positivement et négativement), où ils sont neutralisés par un faisceau d’électrons. Cela provoque l’envoi des électrons dans une direction, propulsant la fusée dans l’autre sens.

La différence avec les propulseurs à effet Hall est, qu’au lieu d’avoir une cathode physique, ils combinent un champ magnétique et un nuage d’électrons piégés pour créer une cathode creuse, “virtuel” (la petite lumière rouge dans l’image d’entête, sous le plasma bleu).

Une petite quantité de gaz propulseur, généralement du xénon, est injectée dans le canal du propulseur pour produire un flux d’ions chargés et, parce que ces ions sont trop lourds pour être pris dans le champ magnétique de la cathode virtuelle, ils peuvent passer à travers sans être neutralisés. Cela crée une décharge de plasma à basse pression, qui produit une poussée dans la direction opposée à celle du flux d’ions.

Ci-dessous, des explications sans doute beaucoup plus claires (Laboratoire Laplace) :

Tout cela fonctionne très bien, mais la partie du propulseur à effet Hall qui contient l’anode, la cathode virtuelle et le nuage d’électrons est ce qui le ralentit. Ce conteneur en céramique, appelé “paroi du canal de décharge” (discharge channel wall), est constamment bombardé par des ions à haute énergie, ce qui le ralentit, l’use et l’ensemble du moteur devra éventuellement être réparé ou remplacé.

Propulseur à effet Hall (PPS-Flex). Le conteneur en céramique est la partie blanche au milieu du moteur (GREM3/ Laboratoire Laplace) :

Donc, les scientifiques de l’Institut de Combustion Aérothermique Réactivité et Environnement du CNRS ont décidé de modifier / retirer la paroi du canal de décharge.

Selon le chercheur principal, Julien Vaudolon :

اقتباس :: Une approche efficace pour éviter l’interaction entre le plasma et la paroi du canal de décharge est de déplacer les zones d’ionisation et d’accélération hors de la cavité, un design non conventionnel nommé “Wall-Less Hall Thruster".

Malheureusement, leur premier prototype (à gauche dans l’image ci-dessous) fut un échec.

L’anode rouge devrait être alignée sur la paroi émettant le xénon. Au lieu de cela, elle est dans le champ magnétique, sur le parcours des électrons, en réduisant les performances. Le nouveau design (à droite) permet à l’anode de la maintenir à l’écart du champ.

Comme le moteur consomme beaucoup moins de carburant que les fusées chimiques classiques, cela libère de la place dans le vaisseau spatial pour envoyer de plus grandes quantités de marchandises, ou peut-être plus de personne. Cela signifie la possibilité de missions spatiale de longue durée, comme celles à destination de Mars.

On ne sait pas encore à quel point ce nouveau design pourrait prolonger la durée de vie du propulseur Hall, mais si les chercheurs atteignent les 50 000 heures de fonctionnement, il pourrait révolutionner l’exploration spatiale. Et, avec un peu de chauvinisme, espérons qu’ils y arrivent avant que les scientifiques mettent au point "l’impossible" EM Drive, qui peut théoriquement nous envoyer sur Mars en seulement en 70 jours.

La recherche a été publiée dans la revue Applied Physics Letters : Optimization of a wall-less Hall thruster qui, selon le Directeur de Recherche au CNRS au sein du laboratoire ICARE à Orléans, Stéphane Mazouffre (<-son blog), a été sélectionnée par l’American Institute of Physics comme fait marquant.