Propulsion ionique
ESPACE DECOUVERTE « ODYSSEE SPATIALE »
Documentation ciblée
Propulsion ionique
Résumé des points-clés :
Principes de fonctionnement
Le moteur ionique est un système de propulsion qui utilise des atomes dépouillés d'un électron
(ionisation), qui sont accélérés à l'aide d'un champ électrique. Dans un moteur à ions, le carburant
n’est pas brûlé mais ionisé.
Le principe de la propulsion ionique est d'ioniser un gaz sous faible pression avec une haute tension
électrique, puis d'accélérer les particules avec des champs encore plus élevés. En quittant le moteur,
les particules ionisées fournissent une poussée. On a la possibilité d'utiliser un grand nombre de gaz
différents. On utilise souvent l'hydrogène ou d'autres gaz rares (ex. Xénon) ou même de l'air.
Un propulseur ionique se compose essentiellement de trois éléments :
- Une source d'ions : c'est-à-dire un dispositif d'ionisation permettant de dépouiller les atomes
de gaz de leurs électrons. Cela aboutit à transformer les atomes (neutres) en des particules
chargées (positives ou négatives), les ions.
- Une partie accélératrice et focalisatrice : les ions libérés passent par deux grilles fortement
chargées électriquement et subissent ainsi une accélération. La force d’accélération des ions
cause une force de réaction de sens opposé : c’est la force de propulsion du moteur à ions.
- Un système de neutralisation : des cathodes creuses qui aux atomes ionisés de récupérer
leurs électrons juste avant de sortir du moteur, afin de maintenir la neutralité de charge du
véhicule et du carburant éjecté.
Deux principales méthodes de production d'ions (ionisation) :
- L'ionisation par contact : le gaz propulsif est vaporisé et circule dans une structure métallique
portée à haute température. Le contact avec le métal, qui a une fonction de travail élevée, va
arracher les électrons aux atomes de gaz.
- l’ionisation par génération d'un plasma : soit par une source HF soit par un arc électrique.
Avantages
Les moteurs à ions, qui produisent une force de propulsion faible et sur une longue durée, sont
particulièrement économes. Ils produisent, par kilogramme de carburant, une énergie de propulsion
supérieure à celle des moteurs de fusée conventionnels. Ils peuvent donc, après un temps certes non
négligeable, obtenir la même vitesse, et ce avec une consommation de carburant bien moindre. Le
véhicule spatial peut alors emporter moins de carburant. Les moteurs à ions étant également
beaucoup plus légers, ils permettent une nouvelle économie de carburant.
Le grand avantage de cette propulsion par rapport à la propulsion chimique est la vitesse d'éjection
des particules. Un ion est en effet susceptible d’être éjecté à une vitesse beaucoup plus importante
que les particules de combustion d’une rédaction chimique. C’est une propulsion beaucoup plus
intéressante pour les voyages spatiaux, puisque la quantité de masse perdue est très réduite.
De plus, la fiabilité d'un système utilisant cette propulsion est relativement élevée.
Pour une comparaison des performances d’une propulsion ionique et d’une propulsion chimique cf.
http://www.esa.int/esaKIDSfr/SEM5GT2AR2E_Liftoff_0.html
Inconvénients
De par leur principe même, l'ionisation du gaz propulsif, ces moteurs ne fonctionnent que dans un
environnement de vide (spatial ou caisson d'essai).
Ce système de propulsion faible consommateur de “carburant” (mais il faut tout de même emporter la
masse de gaz à éjecter) est en revanche gros consommateur d’énergie électrique (que peuvent
fournir des panneaux solaires ou des réacteurs nucléaires).
L’inconvénient de la propulsion ionique est de ne procurer que des forces très faibles, qui ne
dépassent pas aujourd’hui la valeur du newton. Leur faible poussée, de quelques dixièmes de
newtons seulement, équivalente à un souffle humain sur une main distante de 20 cm, limite leur usage
à des missions de maintien en orbite, ou plus généralement dans des zones de champs
gravitationnels faibles. Les moteurs à ions, de par leur faible poussée, ne conviennent donc pas pour
le lancement de véhicules spatiaux. Pour cela, les moteurs de fusée conventionnels sont encore
nécessaires. Mais, en principe, dès que le véhicule spatial a atteint l’espace, le moteur à ions peut
prendre le relais.
Le moteur à ions peut fonctionner très longtemps sans s’arrêter, si nécessaire durant des années.
Avec son aide, des destinations extrêmement lointaines, comme Jupiter, peuvent être atteintes bien
plus rapidement.
En SF
Dans son roman “
Reach
” (1989), l’astronaute américain Edward Gibson explore une extension de la
technologie actuelle. Son véhicule spatial utilise un propulseur ionique dans lequel sont accélérés
jusqu’à une vitesse égale à 1 % de celle de la lumière des atomes de mercure qu’il expulse à sa partie
arrière.
Paul Preuss, dans “
Starfire
” (1988), et David Mace, dans “
Nightrider
” (1987), élargissent le champ
d’application des technologies de pointe. On sait que la fusion de deux atomes en un seul libère une
grande quantité d’énergie. Sous la plume de ces deux auteurs apparaissent des systèmes de
propulsion dans lesquels des réactions de fusion contrôlée remplacent les réactions chimiques des
fusées modernes. L’avantage en est un emploi beaucoup plus efficace de la source d’énergie de
propulsion, avec une consommation moindre pour des vitesses supérieures.
Des technologies plus avancées ont également été envisagées. Un vaisseau pourrait théoriquement
se déplacer en actionnant un laser extrêmement puissant. Les photons individuels, bien que de
masse extrêmement faible, se déplacent très rapidement. C’est là une extension du système de
propulsion ionique qui utilise des particules plus petites animées d’une vitesse supérieure. Larry Niven
a exploré cette idée dans “
The Warriors
” (Les Guerriers), de 1988.
Où en est la science actuellement ?
Plusieurs sondes sont déjà parties dans le système solaire explorer des planètes ou des satellites des
planètes géantes, comme DEEP SPACE 1 (1998). À la fin de la mission, la vitesse de Deep Space 1
avait augmenté, grâce au moteur à ions, de 4,5 kilomètres par seconde, après l’usage de seulement
81,5 kilogrammes de carburant. Avec un moteur conventionnel et en utilisant autant de combustible, le
véhicule aurait subi à peine un dixième de cette accélération.
La sonde spatiale SMART-1 (367 kg, dont 52 kg de Xénon à éjecter) de l’Agence spatiale européenne
(ESA) avait aussi un moteur à ions. Lancée en 2003 sur une orbite géostationnaire (36 000 km), elle a
effectué des orbites terrestres de plus en plus hautes, puis le 15 novembre 2004 sa première orbite
autour de la Lune. Pour rejoindre la Lune distante seulement de 385 000 km, elle a parcouru 100
millions de kilomètres en ne consommant que 60 litres de carburant grâce à son moteur
remarquablement performant. Pendant près de deux ans elle effectua de nombreuses orbites lunaires,
puis a été écrasée sur la Lune(3 septembre 2006) comme prévu. Cette sonde a mis beaucoup plus de
temps qu’un véhicule spatial muni d’un moteur conventionnel (chimique), mais elle est beaucoup plus
économe et coûte donc beaucoup moins cher, car la charge à mettre en orbite est considérablement
réduite.
La sonde spatiale japonaise Hayabusa, lancée le 9 mai 2003, est dotée d’un moteur ionique. C’est la
première à avoir (presque) réussi à se poser sur l’astéroïde Itokawa en 2005. Sa propulsion ionique lui
permettra de revenir sur Terre avec des échantillons de l’astéroïde en 2010, après avoir parcouru
environ 300 millions de kilomètres.
La NASA travaille au développement d’un moteur à ions qui sera alimenté en énergie grâce à un
réacteur nucléaire. Cela rendrait l’utilisation du moteur à ions possible pour les vols spatiaux à très
grande distance du Soleil, là où des panneaux photovoltaïques ne peuvent plus fournir assez
d’énergie.
Liste des références :
SABIN, ARIB,
Etude des propulsions aéronautiques et spatiales du futur,
rapport de stage, maîtrise
sciences de l’univers
SIBILLE François,
L’homme et l’espace
(ppt issu d’une conférence)
CLERVOY Jean-François,
20 ans de vols habités français
, Les rendez-vous du CHEAr- Ministère de
la Défense, DGA, 04/11/2004
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