La propulsion dans l’espace dopée par les moteurs à plasma du futur

Si l’homme veut un jour s’aventurer dans l’espace au-delà de la proche banlieue de la Terre, il lui faudra s’affranchir d’un poids qui le freine comme un boulet : celui du carburant embarqué par les véhicules spatiaux.

C’est à quoi travaille l’Institut de combustion, aérothermique, réactivité et environnement (Icare) du CNRS, créé, le 1er janvier à Orléans, de la fusion de deux laboratoires. Pour voyager jusqu’à Mars, les motorisations classiques peuvent suffire. Les Etats-Unis, qui projettent d’envoyer des astronautes à la conquête de la Planète rouge vers 2030, en faisant étape sur la Lune, imaginent de recycler, peu ou prou, les technologies éprouvées des missions lunaires Apollo. Mais pour s’élancer plus loin, impossible de lester un engin des quantités astronomiques d’ergols (oxygène et hydrogène liquides) nécessaires à un mode de propulsion chimique.

NOURRIE AU XÉNON

Une des alternatives sera peut-être la propulsion à plasma, dite aussi ionique, beaucoup moins gourmande en combustible. L’idée n’est pas neuve. Dès 1905, des savants ont montré qu’il était possible d’utiliser la poussée fournie par des particules électriquement chargées, des ions.

Le principe, explique Stéphane Mazouffre, responsable de l’équipe de propulsion électrique d’Icare, consiste à produire, à partir d’un gaz, un plasma (gaz ionisé) et à en accélérer à très grande vitesse les ions, dont l’éjection suffit à mettre en mouvement le vaisseau spatial.

Depuis les années 1960, les Russes ont testé avec succès ce procédé sur de nombreux satellites. Les Américains ont été les premiers à l’expérimenter sur une sonde, Deep Space 1, lancée en 1998 et mue par un moteur ionique alimenté par un gaz, du xénon. Les Européens ont pris le relais, avec le satellite Stentor – perdu avec la destruction en vol, le 11 décembre 2002, de la première fusée Ariane 5 de la génération “10 tonnes” -, puis avec la sonde de cartographie de la surface lunaire Smart-1, lancée en 2003. Au cours de ses quelque 5 000 heures de fonctionnement, cette sonde n’aura consommé que 64 kg de xénon, alors qu’un engin traditionnel aurait brûlé 320 kg de carburant chimique. La sonde américaine Dawn, qui doit s’élancer, en septembre, vers les astéroïdes Vesta et Cérès, et dont la mission durera huit ans, sera elle aussi nourrie au xénon.

Deux filières sont en concurrence. Les Américains accélèrent les ions du plasma à l’aide de grilles polarisées. Le CNRS, équipé d’une station d’essai unique en Europe, Pivoine, à laquelle sont associés le Centre national d’études spatiales (CNES) et le motoriste Snecma, a recours à des champs magnétiques. En laboratoire, les chercheurs français sont déjà parvenus à faire fonctionner un propulseur à plasma d’une puissance électrique de 7 kilowatts (contre 1,5 kW pour la sonde Smart-1), délivrant une poussée de 0,35 newton. Ils espèrent améliorer encore ces performances et atteindre une puissance de plusieurs dizaines de kilowatts.

C’est alors que la propulsion électrique pourrait prendre tout son intérêt. Elle permettrait d’accroître la longévité des satellites de télécommunication, en leur fournissant, à moindre charge, l’énergie nécessaire aux inévitables corrections de trajectoire. Elle pourrait même suffire aux manoeuvres de transfert d’orbite de ces satellites. Et, demain, assurer l’essor des voyages interplanétaires au long cours. Visionnaire – et bien conseillé par les ingénieurs de la NASA -, George Lucas, dans la saga de La Guerre des étoiles, avait doté ses vaisseaux futuristes de moteurs à plasma.

Pierre Le Hir
Article paru dans l’édition du 13.07.07.

Encadré:
Bouclier thermique et nouveaux carburants
Les études sur le plasma, menées au laboratoire Icare, concernent aussi les opérations de rentrée dans l’atmosphère des sondes planétaires. Lors de ces manoeuvres à haut risque, qui s’effectuent à des vitesses hypersoniques (de 5 à 12 km/s), une onde de choc se crée à l’avant du véhicule spatial, qui freine l’engin et s’accompagne d’un échauffement brutal des gaz environnants (de 2 000 à 9 000º C), transformés en plasma brûlant. D’où la nécessité d’analyser, en soufflerie, les caractéristiques des gaz ionisés correspondant aux compositions atmosphériques de chaque planète.

Le retour d’expérience de la sonde européenne Huygens qui, en janvier 2005, a plongé sur Titan, la plus grosse lune de Saturne, a ainsi montré que son bouclier thermique avait été mal paramétré.

Autre domaine de recherche : l’optimisation des carburants. La poudre des boosters qui permettent à Ariane 5 de s’arracher du sol est aujourd’hui “dopée” par des particules d’aluminium, dont la combustion est incomplète, ce qui alourdit la fusée et risque de perturber sa trajectoire. Les ingénieurs testent donc de nouveaux réactifs (aluminium enrobé de nickel ou magnésium) plus performants.

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