La propulsion électrique de forte puissance

Dans un moteur électrique, l'énergie est fournie par une source de puissance électrique (panneaux solaires, générateur électronucléaire) et le « fluide propulsif » est constitué d'atomes électrisés (ions, par exemple de Xénon) que l'on accélère au moyen de champs électriqueschamps électriques, magnétiques ou électromagnétiques.

Il est possible de porter ces ions à des vitesses d'éjectionvitesses d'éjection 10 à 30 fois plus importantes que les moléculesmolécules des moteurs précédents, ce qui entraîne une consommation réduite dans le même rapport (impulsion spécifiqueimpulsion spécifique de 4 500 à 12 000 s, voire plus).

Différents modes de réalisation ont fait l'objet de travaux depuis le début de l'ère spatiale, et certains connaissent des applicationsapplications opérationnelles. Mais jusqu'à présent la poussée de ces moteurs reste très faible, dans la gamme de 0,1 à 1 NewtonNewton (10 à 100 g-force)... Impossible de propulser un vaisseau de 50 tonnes avec une telle poussée, même en prenant son temps ! Il faudrait au moins 100 fois plus, de l'ordre de 100 Newton. Or, multiplier par 100 la poussée conduit, c'est multiplier par 10 000 la puissance électrique à fournir au moteur, c'est-à-dire, grosso modo, à passer du kW à 10 000 kW (10 mégawatt) !

Projet de sonde martienne à propulsion nucléoélectrique. Crédits : NASA

Avec des panneaux solaires, il faudrait une surface de 5 hectares, représentant une massemasse de 100 tonnes... Irréaliste. La solution, c'est un générateur électronucléaire, un petit réacteur qui chauffe un gazgaz servant à entraîner un turboalternateur. Seulement, pour dissiper la chaleurchaleur en excès on doit utiliser un radiateurradiateur, d'immenses plaques dans lesquelles serpente le fluide après son passage dans la turbine et qui rayonnent face au vide. Et pour les puissances dont on parle, ces panneaux seront très grands, donc lourds. Pour une sonde automatique, telle que représentée ici, on serait capable aujourd'hui de construire un générateur de la gamme 100 kW ayant une masse de 2,5 tonnes, soit 40 kW par tonne. La simple extrapolation à un vaisseau habité martien de 10 000 kW conduirait à une masse de 250 tonnes : beaucoup trop ! Il va falloir viser 200 kW par tonne, ce qui passe par la maîtrise de technologies telles que : turbine à température élevée, radiateur en carbonecarbone, rendement de la turbine et de l'alternateuralternateur élevés, alternateur supraconducteursupraconducteur... Un sérieux défi !

Schéma d'un moteur ionique

Nous ne décrirons pas tous les modes de réalisation possibles. A vrai dire, pour l'application du voyage martien, où l'on vise à avoir à la fois une faible consommation et une « forte » poussée, trois types retiennent l'attention : le moteur ionique (voir schéma), le moteur Magnéto Plasma Dynamique (MPD) et le moteur « VASIMRVASIMR », apparu plus récemment.

Dans un moteur ionique, le fluide propulsif, par exemple du Xénon, est ionisé par des décharges d'électronsélectrons. Les ions ainsi produits sont ensuite accélérés par un champ électrique établi entre deux grilles parallèles. Afin de ne pas charger progressivement le vaisseau, il faut enfin neutraliser la charge électrique du jet de matièrematière en y réinjectant des électrons. Ce type de moteur a fait ses preuves récemment sur la sonde interplanétaire Deep Space 1, avec une puissance maximale de 2,5 kW et une impulsion spécifique de 3 000 s. Les travaux actuels visent à augmenter les puissances et l'impulsion spécifique (6 000 à 9 000 s). Un problème majeur, lorsqu'on augmente la puissance, est la duréedurée de vie de certains éléments du moteur.

Dans un moteur MPD, le fluide est également ionisé par décharge, mais accéléré par l'effet d'un champ magnétiquechamp magnétique. Les travaux de pointe portent actuellement sur des prototypes de 1 mégawatt développant une impulsion spécifique de 9 000 s. Là également, des difficultés d'usure restent à surmonter.

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Le VASIMR, développé par le physicienphysicien et astronauteastronaute Franklin Chang-Diaz, s'affranchit des limitations du moteur chimique (restreint en apport d'énergie) et du moteur nucléothermique (restreint en température par la tenue des matériaux). A l'aide de micro-ondes, on produit un plasma (mélange d'ions et d'électrons) à très haute température. Ce plasma est confiné et éjecté dans une « bouteille magnétique », évitant ainsi le contact du plasma avec les parois du moteur. L'impulsion spécifique pourrait atteindre 30 000 s (12 000, selon certains spécialistes de la physiquephysique des plasmas). On peut de plus faire varier (en sens inverse) poussée et impulsion spécifique. Cela permet de minimiser les pertes par gravitégravité au voisinage des planètes, en fonctionnant à poussée maximale, tout en minimisant la consommation pendant les phases de croisière (fonctionnement à impulsion spécifique maximale). Un long travail reste cependant à mener, avec deux objectifs majeurs : un rendement énergétique du moteur (pourcentage de conversion de l'énergie électrique en énergie cinétiqueénergie cinétique dans le jet) de 40 à 50 %, et une puissance spécifique du générateur d'au moins 200 kW/tonne.

Le moteur Vasmir. Crédits : Nasa

Si ce concept tient ses promesses, ou si l'on parvient à extrapoler en puissance l'ionique ou le MPD, on divisera par 2 la durée des trajets (3 mois au lieu de 6) et de par 4 la durée de mission (7 mois au lieu de 30).