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Le premier chercheur à mentionner publiquement, en 1911, l'idée d'accélérer des électrons ou des ions pour la propulsion d'un vaisseau spatial a été également l'un des principaux fondateurs de l'astronautique : Constantin Tsiolkovski. Influencé par les romans de Jules VerneJules Verne et les idées de son mentor (l'une des principales figures du Cosmisme russe préfigurant étrangement le contenu du roman d'Arthur Clarke, 2001, l'Odyssée de le l'espace), Tsiolkovski a utilisé ses compétences en mathématiques pour l'étude des lois du voyage interplanétaire. Il a ainsi découvert, entre autres, une équation reliant la quantité de carburant nécessaire pour atteindre une vitesse donnée à la vitesse d'éjectionvitesse d'éjection des particules d'un moteur de fuséefusée. Il en découlait que plus la vitesse d'éjection était élevée, moins il fallait de carburant.
Les moteurs à propulsion chimique atteignent rapidement leurs limites pour la vitesse d'éjection des gazgaz. Il n'en est pas de même pour des moteurs ioniquesmoteurs ioniques qui peuvent en théorie accélérer des particules chargées au moyen de champs électriqueschamps électriques ou électromagnétiques à des vitesses très élevées. L'idéal serait bien sûr d'atteindre presque la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière.
L'un des principaux pionniers de l'astronautique, constantin Tsiolkovsky. © DP
Deux autres chercheurs ont eu l'idée du moteur ionique presque en même temps que Tsiolkovski. Il s'agissait, ce n'est pas surprenant, des deux autres principaux fondateurs de l'astronautique : l'Allemand Hermann Oberth et l'Américain Robert H. Goddard. Ce dernier a même construit un prototype de moteur ionique dès 1916. Mais ce sont surtout les chercheurs et ingénieurs russes du temps de l'ex-Union soviétique qui ont vraiment développé le concept dans les années 1960, concrétisé sur de nombreux satellites dans les années 1970. Ces moteurs de faible poussée n'étaient alors utilisés que pour les corrections d'orbitesorbites.
Les moteurs ioniques développés par les savants russes étaient plus précisément des propulseurspropulseurs à effet Halleffet Hall, utilisant un champ magnétiquechamp magnétique pour piéger les électrons qui servent à ioniser un gaz, comme l'explique la vidéo ci-dessous.
Les principes de base d'un propulseur à effet Hall sont expliqués au début de cette vidéo. Vient ensuite un exemple de réalisation de ce type de moteur ionique. © harribeydom/YouTube
Le premier vol d'un satellite équipé d'un moteur a eu lieu en 1972 avec le SPT-50 (Stationary Plasma Thruster) sur le satellite Meteor. Après la chute de l'URSS, la technologie a été transférée vers l'ouest au début des années 1990. La NasaNasa s'y est bien sûr intéressée car elle travaillait elle aussi sur le moteur ionique depuis des décennies. En France, c'est la Snecma qui mit à profit ces connaissances. Le résultat a été le moteur PPS-1350 équipant la sonde Smart-I de l'Esa, lancée le 27 septembre 2003 par la fusée Ariane 5G5G.
Un moteur ionique dans un satellite de 1 kg : Robusta-3
Il y a une dizaine d'années, un chercheur français, Marcel Guyot, du Groupe d'études de la matièrematière condensée (Gemac-CNRS/université Versailles Saint-Quentin) a eu l'idée de remplacer les bobines générant le champ magnétique du propulseur à effet Hall par des aimantsaimants permanents. La raison principale est que des bobines magnétiques nécessitent du courant provenant de panneaux solaires ou d'un générateurgénérateur nucléaire pour des vols éloignés du SoleilSoleil. Mais cela entraîne un surpoidssurpoids et donc un surcoût pour le lanceur.
On peut s'amuser à spéculer sur le film Iron man en se demandant si les propulseurs de l'armure dont le carburant semble inépuisable ne sont pas justement des minimoteurs ioniques à effet Hall surpuissants à très faible consommation... © movieclips-Paramount/YouTube
Les chercheurs français sont parvenus à se passer efficacement de ces bobines. Un aimant de 3 mm peut ainsi remplacer une bobine de 3 cm et c'est ainsi que le plus petit propulseur à plasma jamais conçu (il n'occuperait que la moitié d'un dé à coudre) équipera un satellite miniature d'environ 1 kgkg. Il s'agira d'une nouvelle version du satellite Robusta qui a déjà été lancé par Vega.
Les moteurs ioniques sont certainement appelés à un bel avenir, d'autant plus s'ils peuvent être miniaturisés car en réduisant aussi la taille des satellites, ils peuvent aider à limiter la pollution spatiale alors que des centaines de milliers de débris jonchent déjà l'espace.
Ils ont déjà équipé les sondes Deep Space 1, Hayabusa et même Dawn. On pourrait imaginer que des moteurs ioniques miniaturisés soient précisément la solution pour réaliser l'armure d'Iron man mais c'est malheureusement douteux. Les moteurs ioniques éjectent certes des particules à grandes vitesses en utilisant peu de carburant mais ils ne sont pas assez puissants pour permettre de lancer un satellite, ils ne sont adaptés qu'au voyage interplanétaire et peut-être interstellaire, comme l'illustre AvatarAvatar.
