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.
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 ».
Commentaires (40)
#1
C’est bon après la prochaine guerre mondiale en 2063 le professeur Cochrane va inventer le moteur a distorsion. Juste un peut de patience
#1.1
Je pensais plus commencer par un moteur anti gravité, en utilisant des particules de masse négatives, soyons réalistes.
On verra le Warp Drive plus tard
#1.2
Pour le lancement, un masse drivers pourrait être plus écologique.
#1.3
Moi je parie sur la porte des étoiles. Vachement plus pratique à utiliser et très écologique de se déplacer par téléportation.
Ok je sors
#2
Le principal problème est l’alimentation électrique. Et pour des sondes d’exploration il faudra passer par un petit réacteur nucléaire, les panneaux malgré les progrès ne suffiront pas (à taille raisonnable)
En tout cas c’est une excellente solution pour les CubeSat, voire les “gros pépères” pour les orbites proches (sauf pour les satellites d’observations qui nécessitent d’être réorientés régulièrement et rapidement… n’est ce pas messieurs les militaires?)
#2.1
Y a pas un “moteur” qui utilise la pression des photons qui “tapent” contre une grande voile ?
Il me semble que la poussée est toute pourrie, mais qui pourrait bien marcher sur de très grandes distances.
#2.3
C’est un problème similaire, panneau solaire ou voile solaire c’est la densité des photons ou particules émises par le soleil qui diminue avec la distance.
C’est exactement cela, et les dernières propositions ont un rendement exceptionnel par rapport à nos gentils dinosaures qui nous (système solaire) quittent.
Après que le mode de traitement de la chaleur soit différent de nos chaudières terrestre, la réaction initiale reste de la fission nucléaire et c’est super efficace avec une masse relativement réduite au départ.
#2.4
L’idée actuelle c’est de pulser des lasers depuis la terre ou son environnement. voir ici
Et on parle d’atteindre Proxima en 50 ans
#2.5
GSX-401FW Stargazer Gundam
#2.2
c’est valable pour les sonde au delà de l’orbite de jupiter ou il n’y a pas assez de soleil pour alimenter les panneaux.
Il faut aussi faire la distinction quand on parle de réacteur nucléaire pour les sonde spatial, ce n’est pas une réaction comme dans les centrales nucléaire électrique que l’on a sur terre.
ce sont des “Générateur thermoélectrique à radioisotope” ils utilisent la chaleur généré par la désintégration radioactive naturelle d’un materiaux (souvent plutonium 238 comme sur curiosity et perseverance) et cette chaleur est convertie en électricité grâce a l’effet seebeck
#3
“la fusée est un non sens”
Un haricot géant comme dans les livres de Phillip K.Dick et Charles Sheffield?
Bon ok, pas trop terroriste friendly (ou alors trop :) )
#4
Oui, de 10 à 20 tonnes. Soit un demi poids lourd.
Et pour les cheminés de refroidissement on mettra un pot d’échappement à la place.
#4.1
Il y a déjà eu (encore (?)) des satellites avec réacteur nucléaires (SNAP-10A et COSMOS 954)
#5
Justifier le remplacement de l’hydrogène par le méthane ou le kérosène pour des raison “écologique” ca me parait très fumeux quand même car la combustion des carburant organique produit du CO2 alors que l’hydrogène c’est que de la vapeur d’eau.
Alors je crois qu’en haute altitude la vapeur d’eau à un pouvoir a effet de serre plus important que le CO2 mais il me semble qu’elle y reste moins longtemps et redescend pour former les nuages habituel.
Il faut voir aussi que même si il y a de plus en plus de lancement, la quantité de carburant consommé est ridicule par rapport a ce que consomme le secteur aérien et maritime.
#5.1
La production de dihydrogène elle n’est pas écologique , pour produire du dihydrogène soit tu consomme beaucoup d’énergie électrique pour le produire par électrolyse soit tu produit du dioxyde de carbone ou du monoxyde de carbone en le produisant par reformage de gaz naturel ou par gazéification.
#6
ca me fait penser aux sondes voyager 1 et 2 (parti en 77) utilisent des générateurs thermoélectriques radioisotopiques a base de plutonium-238 et ils envoie encore du jus aujourd’hui ! :)
edit: arf @bilkinis tu m’as devancé de 5 min :p
#7
https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/kilopower
Le réacteur portable de “seul sur Mars” n’est pas que de la SF, c’est une vraie idée en train d’être conçue.
Bon, le réacteur final risque d’être un peu plus gros, mais embarcable dans des véhicules.
#8
Alors dans le cas des RTG au Pu238 non il n’y a pas de fission au sens ou c’est un neutron qui vient cassé un noyau en 2, c’est juste la désintégration naturel par émission de particule alpha qui le transfome en uranium 234
#8.1
Autant pour moi, tu as raison, j’ai confondu en allant trop vite, fission nuc contrôlée et désintégration radioactive
#9
J’aime beaucoup le nom du propulseur électrique “thrustme’”
#10
Tu parles que de l’après, mais le problème de l’hydrogène c’est le avant. Sa production est très gourmande en carbone, coûte cher et son stockage compliqué.
Le méthane ou le kérosène, quand ça brûle dans l’espace on s’en fout. Mais si SpaceX l’utilise c’est que ça peut se produire sur la Lune ou sur Mars. Donc tu refais le plein sur place.
#10.1
C’est plutôt sur l’étape Terre => Espace que le rejet de CO2 par les autres carburants me paraît problématique.Dans l’espace, c’est l’hydrogène ou l’oxygène liquide qui seraient visés en production locale il me semble, notamment avec la présence d’eau sur la Lune.
Par contre une question relative au “kérosène vert”, il vient de quoi ?
#10.2
La production H₂ est coûteuse et souvent trop carbonée, Espérons que l’on trouve un moyen propre de produire de l’électricité. Pour le stockage la forme la plus stable est moléculaire H₂O. Il faut produire au plus prêt des besoins. Modèle industriel illusoire.
Méthane et kérosène. Pour mémoire le kérosène est un dérivé du pétrole, donc sur la Lune ou Mars c’est mort. Et le méthane, il faut de déchets organiques pour en produire. Tu fais popo et tu attends que les bactéries pètent en «mangeant ta merde.» Désolé pour les amis de la poésie.
#10.3
Oui il y a des avantages à utiliser le méthane ou le kérosène par rapport à l’hydrogène, la production potentielle sur la lune ou mars en est une.
Ce qui me faire sourire c’est la justification écologique.
Alors oui la majorité de l’hydrogène provient d’extraction de gisement de gaz mais pour le kérosène c’est pas mieux et le méthane je sais pas trop.
Dans tous les cas il y a des processus plus vertueux (électrolyse pour l’hydrogène ou fermentation de matière organique pour le méthane) mais peut-être qu’il ne sont pas assez rentable pour devenir majoritaire
#10.4
Pour l’électrolyse de l’hydrogène, pour le moment ça coute très cher car on utilise du platine ou autres métaux rare comme catalyseur.
Apparemment il y a des essai pour pouvoir faire des catalyseur a partir de fer et nickel mais c’est en cours d’étude et pas pour tout de suite.
#10.5
Il me semble qu’il y a une piste pour produire de l’hydrogène avec des algues.
#10.6
https://fr.wikipedia.org/wiki/Production_biologique_d%27hydrog%C3%A8ne_par_des_algues
De ce que j’ai pu trouver (hors wikipedia) on en reste à l’état d’étude.
Je crois que pour le moment c’est plus simple de cultiver de la biomasse pour faire du méthane (et c’est “neutre” en C02).
#11
Si vous voulez du propulseur à base de fission nucléaire, c’est possible aussi hein : https://fr.m.wikipedia.org/wiki/NERVA
#12
Généralement ils adore jouer sur les acronymes
Sur Ariane, j’aurais bien vu quelque chose comme Propulseur à Oxydes d’Uranium SolideS Pour Orbiteurs Unitaires ou Sondes Spatiales « P.O.U.S.S.P.O.U.S.S »
#13
La consommation astronomique de carburants … certes mais s’il n’y avait que de l’oxygène et de l’hydrogène il serait impossible de faire plus propre comme carburants.
#14
Ce serait de l’hydrogène avec du carbone, je suppose qu’il y a des avantages par rapport à l’hydrogène simple (stockage, transport, stabilité, …).
Dans l’idée H20 + électricité => 2H + O => CxHy
Le carbone venant de l’atmosphère, la technique fonctionne mais nécessite d’être améliorée car il y a des “pertes” importantes.
Je n’ai pas trouvé de chiffres, mais pour le https://fr.wikipedia.org/wiki/Conversion_d’%C3%A9lectricit%C3%A9_en_gaz">méthane de synthèse on a des pertes (en chaleur je suppose) de l’ordre de 40%.
#14.1
Merci :)
#15
C’est clair qu’il vaut mieux dégager du carburant sale dans l’espace que de produire du carburant propre avec du carburant sale sur terre pour ensuite le consommer dans l’espace, je pige pas le concept là…
#16
Carton rouge de la part de mon prof de physique de 6eme.
Une poussée exprimée dans une unité de masse… et la seconde partie de la phrase qui fait aussi la confusion masse/poids.
#17
7g sous une accélération de 9.81ms-2. c’est un équivalent sous entendu. C’est aussi utilisé pour les moteurs terrestres “une poussée de x tonnes”
#17.1
C’est un abus de langage qui n’a pas grand sens vu le temps qu’il faut à un propulseur pour que cette accélération ne soit plus la même et encore plus quand on évoque l’accélération d’objets qui ont vocation à ne pas subir la gravité terrestre.
#18
C’est pour ramener à quelque chose de palpable. Une force équivalente au poids de 7g se peut s’imaginer (certe pas les 1t de poussée sauf pour Superman). Le Newton n’est pas forcément parlant pour tout le monde. Vous dites quoi dans le language courant. Je pèse 900 Newton ou 90kg?
#18.1
Je n’ai pas vocation à me soustraire de l’attraction terrestre.
0,0007N exprime par ailleurs mieux le fait que ce soit très faible, on peut illustrer par une analogie à côté.
#19
Il y a le compte twitter @ToughSF qui pousse pleins d’infos sur la propulsion _ j’avais vu passer un thread sur cette propulsion ionique avec un autre proto
#20
C’est amusant de voir “revenir” la propulsion plasmique comme ça; je me souviens que j’avais fait un dossier à la la fac (1997 si je ne m’abuse) pour l’évoquer, ainsi que la propulsion ionique.
Et à l’époque, ça m’avait amusé de voir que ces propulsions à la pointe du progrès ou de la recherche scientifique étaient utilisées (l’une, l’autre, ou les 2, je ne sais plus) dans les jeux X-Com.
C’était pour le cours d’anglais, et, pas de bol, la plupart des sources étaient d’origine russe…