Des pistes pour améliorer la propulsion spatiale

Le mot du jour est : hypergolique
Tech 6 min
Des pistes pour améliorer la propulsion spatiale
Crédits : NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

L’exploration et la « colonisation » de l’espace nécessitent d’imposantes fusées pour envoyer de petites sondes aux quatre coins du Système solaire. Des pistes sont étudiées pour « verdir » un peu le secteur grâce à de nouveaux carburants et moteurs. La propulsion plasmique est prometteuse dans certains cas.

Pour se rendre dans l’espace, les fusées consomment des quantités astronomiques de carburants. Ariane 5 en embarque 700 tonnes pour livrer 10 à 20 tonnes de fret. Ses propulseurs d'appoint (EAP) sont remplis de 480 tonnes de « poudre » solide, accompagnés de 220 tonnes d’hydrogène et d’oxygène liquides pour l’étage principal.

Une telle quantité de carburant a un coût important : la matière première, le « stockage et [la] mise en œuvre pèsent lourdement sur l’addition des lancements ». De leur côté, les propulseurs des satellites utilisent majoritairement de l’hydrazine, un carburant chimique… « ayant en plus le défaut d’être polluant ». 

Quentin Levard, ingénieur de recherche à l’ONERA (Office National d'Études et de Recherches Aérospatiales) rappelait dans sa thèse que « la mise en œuvre de cet ergol induit de nombreuses contraintes opératoires parmi lesquelles la nécessité de préchauffer le lit catalytique pour en limiter l’usure. Par ailleurs, l’hydrazine constitue une substance hautement toxique, objet d’une potentielle interdiction à moyen terme par la réglementation REACh ».

Depuis de nombreuses années, des travaux sont en cours pour développer de nouveaux systèmes, plus écologiques et/ou économiques, comme le rappelle le CNRS dans son Journal. Des carburants « verts » sont ainsi à l’étude, tandis que la propulsion plasmique s’améliore. D’autres technologies pourraient voir le jour.

Ergols « verts » et réaction hypergolique 

Sur de prochaines versions d’Ariane, le lanceur européen pourrait par exemple abandonner « l’hydrogène au profit du méthane ou d’un kérosène "vert" », comme le font déjà d’autres fusées, rappelle le Centre national de la recherche scientifique. Mais ce n'est pas pour le début de la vie d’Ariane 6.

Une évolution dans le bon sens, mais insuffisante pour Marc Bellenoue, professeur à l’École nationale supérieure de mécanique et d’aérotechnique (Isae-Ensma) : « pour aller plus loin, il faudra innover ». Avec son équipe, il cherche à « remplacer l’hydrazine par du peroxyde d’hydrogène concentré (H₂O₂), un ergol plus propre et meilleur marché ».

« Cette molécule, dont la version aqueuse est simplement l’eau ­oxygénée, paraît suffisamment prometteuse pour qu’on imagine l’employer, en combinaison avec d’autres ergols liquides "verts" – kérosène ou éthanol –, pour alimenter le moteur des étages supérieurs des futurs lanceurs Ariane », c’est-à-dire Next ou Ultimate, explique-t-il.

En partenariat avec le CNES (Centre national d'études spatiales), des tests sont en cours à Poitiers pour vérifier « les modes de pulvérisation, d’allumage et de combustion des mélanges faisant appel à cet oxydant. Cela en attendant de trouver peut-être un jour le moyen d’adapter ce dernier avec un carburant "vert" pour obtenir une réaction "hypergolique" ». 

Cette dernière est intéressante pour les satellites, sondes et atterrisseurs (entre autres) car elle ne nécessite aucun système d’allumage. Le mélange s’enflamme en effet instantanément dès que les composés entrent en contact.

Les avancées sur la propulsion plasmique 

Le CNRS rappelle que le 28 décembre dernier, « un satellite commercial [via la mission chinoise Beihangkongshi-1] est, pour la première fois, parvenu à rejoindre son orbite de travail après avoir expulsé un plasma fait de particules d’iode lancées à très grande vitesse ». Les principes de la propulsion plasmique sont connus quasiment depuis le début de la conquête spatiale, mais cette technologie prend de l’ampleur depuis une dizaine d’années.

Dans le cas de la mission chinoise, l’intérêt porte sur le gaz utilisé – l’iode – qui « est quarante fois meilleur marché que le xénon, le carburant ou “ergol” habituellement employé par ce mode de propulsion dit “électrique” », explique Ane Aanesland, ancienne chercheuse en physique au Laboratoire de physique des plasmas et fondatrice de la société ThrustMe qui a conçu le système de propulsion.

Moteur plasma iode
Système de propulsion électrique de ThrustMe avec de l’iode comme ergol.

De toutes petites poussées, mais des moteurs bien plus discrets

Le principe de fonctionnement d’un moteur plasma est le suivant : « l’énergie électrique [provenant de panneaux solaires par exemple, ndlr] est utilisée pour produire un champ électromagnétique qui permet l’accélération du gaz ionisé. Les ions, éjectés à grande vitesse, assurent la poussée des propulseurs ». 

Il ne faut pas attendre de miracle sur la poussée… En 2003, la sonde européenne SMART-1 était équipée d’un moteur plasmique avec… 7 grammes de poussée seulement, ce qui « équivaut au poids d’une carte postale ». Même si la technique s’améliore, le plasma ne joue pas dans la même cour que les moteurs des lanceurs.

Elle est ainsi inadaptée à des opérations comme « l’évitement d’obstacles, l’atterrissage ou encore l’arrimage des vaisseaux-cargos sur la Station spatiale internationale ». Mais les moteurs plasma ont un avantage indéniable : leur poids et leur encombrement largement revus à la baisse.

Selon le CNRS, la propulsion ionique permettrait d’économiser 400 kg sur le lancement d’un satellite géostationnaire de 2 000 kg, soit 20 % tout de même. Ce gain pourrait être utilisé pour embarquer davantage de charges utiles, prolonger la durée de vie du satellite, réduire le coût du lancement ou aller plus loin dans l’exploration spatiale (puisqu‘on peut avoir des réserves plus importantes).

Plusieurs missions d’explorations du Système solaire exploitent déjà la propulsion plasmique. Pêle-mêle nous pouvons citer BepiColombo (ESA et JAXA), Dawn (NASA), Deep Space One (NASA) et Hayabusa (JAXA). Depuis le début des années 2010, le marché fait part de son engouement pour cette technologie, comme l’explique Stéphane Mazouffre, directeur de recherche à l’Institut de combustion, aéronautique, réactivité et environnement du CNRS :

« Plusieurs missions commerciales ont alors démontré que l’allongement des délais de mise en service étant compensé par une réduction de la masse embarquée, ces équipements peuvent être employés de façon rentable pour transférer des gros satellites de télécommunications sur des orbites géostationnaires. C’est aussi de cette époque que date le lancement des projets de mégaconstellations, Starlink (SpaceX), One Web et Globalstar ». 

D’autres techniques à l’étude

Le CNRS rappelle que son laboratoire Icare d'Orléans était impliqué entre 2003 et 2006 dans la mission SMART-1 (Small Missions for Advanced Research in Technology) de l’Agence spatiale européenne (ESA).

Selon le Centre, son équipe « est connue pour son savoir-faire dans le domaine des "propulseurs de Hall" dont elle a produit le plus puissant exemplaire en Europe (25 kilowatts) et qu’elle miniaturise depuis 2018 au sein d’un laboratoire commun avec Exotrail, start-up spécialisée dans la micropropulsion pour les CubeSats (nanosatellites) ».

Le CNRS en profite pour indiquer que son laboratoire Icare s’intéresse à bien d’autres domaines : « propulseurs à "arc sous vide", à "métal liquide" ou "radiofréquence"… tout l’intéresse y compris les projets futuristes de voile solaire ! ». « On est sans doute loin d’avoir découvert toutes les possibilités de ces technologies ».

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