Moteur ionique

Test d’un moteur ionique au xénon, dans un laboratoire du Jet Propulsion Laboratory (JPL)

Un moteur ionique est un moteur qui produit sa force de propulsion en projetant des ions à très haute vitesse. Son principe a déjà été pensé au début du XX^e siècle et il est employé au début du XXI^e siècle pour le vol spatial.

Fonctionnement du moteur ionique

Dans un moteur ionique, le carburant n’est pas brûlé mais ionisé. Les ions alors libérés passent par deux grilles fortement chargées électriquement et subissent ainsi une accélération. La force d’accélération des ions cause une force de réaction de sens opposé : c’est la force de propulsion du moteur à ions.

Les ions récupèrent leurs électrons juste avant de sortir du moteur, afin de maintenir la neutralité électrique du véhicule et du carburant éjecté.

C’est le xénon (un gaz noble) qui est utilisé comme « carburant ». Par le passé, le sodium et le mercure ont été testés, mais ces matières érodent le moteur^{[réf. nécessaire]}.

L’énergie électrique nécessaire pour l’ionisation du carburant et l’accélération des ions libérés est obtenue grâce à des panneaux solaires. Dans le futur, on utilisera sans doute également des réacteurs nucléaires pour fournir cette énergie^{[réf. nécessaire]}.

Comparaison avec les moteurs fusée conventionnels

Avec les moteurs conventionnels, il faut embarquer la masse à éjecter et l’énergie pour l’éjecter. Alors qu’avec les moteurs ioniques, seule la masse à éjecter est embarquée, l’énergie de l’éjection peut être prise sur place avec des panneaux solaires ou provenir d’un générateur thermoélectrique à radioisotope.

Les moteurs fusée conventionnels fournissent en peu de temps une accélération importante mais utilisent pour cela de grandes quantités de carburant. La réserve de carburant elle-même doit être propulsée tout autant que le véhicule spatial. Les moteurs fusée doivent pouvoir supporter des contraintes énormes (pression, températures), ce qui les rend lourds, et ils doivent eux-mêmes être propulsés. En conséquence, le véhicule spatial doit emmener avec lui encore plus de carburant.

Les moteurs ioniques, qui produisent une force de propulsion faible mais sur une très longue durée, sont particulièrement économes. Ils produisent, par kilogramme de carburant embarqué, une quantité de travail très supérieur à celui des moteurs fusée conventionnels. Ils peuvent donc, après un temps certes non négligeable, conférer la même vitesse au véhicule spatial au prix d'une consommation de carburant bien moindre. Ce véhicule peut alors emporter moins de carburant. Les moteurs ioniques sont également beaucoup plus légers (une dizaine de Kg), permettant ainsi une économie supplémentaire de carburant^[1].

Applications

Les moteurs ioniques, de par leur faible poussée, ne conviennent pas pour le lancement de véhicules spatiaux. Pour cela, les moteurs fusée conventionnels sont encore nécessaires. Mais, en principe, dès que le véhicule spatial a atteint l’espace, le moteur ionique peut prendre le relais.

Le moteur ionique peut fonctionner très longtemps sans s’arrêter, si nécessaire durant des années. Avec son aide, des destinations extrêmement lointaines, comme Jupiter, peuvent être atteintes bien plus rapidement^{[réf. nécessaire]}.

Premier test en 1998

Le moteur ionique a été testé de façon approfondie pour la première fois par le véhicule spatial non-habité Deep Space 1. Ce dernier a été lancé par la NASA le 24 octobre 1998. Il avait pour but premier de tester un certain nombre de nouvelles techniques astronautiques, dont le moteur ionique.

À la fin de la mission, la vitesse de Deep Space 1 avait augmenté, grâce au moteur ionique, de 4,5 km/s, après l’usage de seulement 81,5 kilogrammes de carburant. Avec un moteur conventionnel et en utilisant autant de combustible, le véhicule aurait subi à peine un dixième de cette accélération.

Satellites

Les satellites de télécommunication suivants sont munis de propulseurs à ions :

• Astra 2A construit par Boeing
• Inmarsat 4 et Intelsat X-02 construits par Astrium.

Les forces d’attraction variables de la Lune et du Soleil impliquent d'effectuer régulièrement des corrections de trajectoire afin de maintenir ce type de satellite sur la bonne orbite. La quantité de carburant qui peut être emportée est limitée, mais du fait que les moteurs ioniques sont très économes, la durée de la mission pourra ainsi être augmentée.

Le satellite Artémis (Advanced Relay and Technology Mission Satellite) a été sauvé d'un mauvais lancement (échec partiel d'Ariane 5, le 12 juillet 2001, qui l'avait placé sur une orbite plus de deux fois inférieure à celle prévue, 17 000 km d'altitude à l'apogée au lieu de 36 000). Propulsé par ses moteurs ioniques qui n'avaient pourtant pas été conçus à cette fin, car destinés à de simples corrections d'orbite une fois à l'altitude et à la position voulues, il a rejoint l'altitude souhaitée au bout de 18 mois.

Sondes spatiales

La sonde spatiale SMART-1 (367 kg, dont 52 kg de Xénon à éjecter) de l’Agence spatiale européenne (ESA) avait aussi un moteur ionique. Lancée le 28 septembre 2003 sur une orbite géostationnaire (36 000 km), elle a effectué des orbites terrestres de plus en plus hautes, puis le 15 novembre 2004, sa première orbite autour de la Lune. Pour rejoindre la Lune distante seulement de 385 000 km, elle a parcouru 100 millions de kilomètres en ne consommant que 60 litres de carburant grâce à son moteur remarquablement performant^[2]. Pendant près de deux ans elle effectua de nombreuses orbites lunaires, puis comme prévu s'est écrasée sur la Lune le 3 septembre 2006. Cette sonde met beaucoup plus de temps qu’un véhicule spatial muni d’un moteur conventionnel (chimique), mais elle est beaucoup plus économe et coûte donc beaucoup moins, car la charge à mettre en orbite est considérablement réduite.

La sonde spatiale japonaise Hayabusa, lancée le 9 mai 2003, est dotée d’un moteur ionique. C’est la première à avoir (presque) réussi à se poser sur l’astéroïde Itokawa le 19 novembre 2005. Sa propulsion ionique lui a permis de revenir sur Terre le Dimanche 13 juin 2010 à 13 h 51 TU (15 h 51 en heure française) avec des échantillons de l’astéroïde, après avoir parcouru environ 300 millions de kilomètres et plus de 31 000 heures cumulées de fonctionnement.

Vols futurs spatiaux, à très grande distance du soleil

La NASA travaille au développement d’un moteur ionique qui sera alimenté en énergie grâce à un réacteur nucléaire^{[réf. nécessaire]}. Cela rendrait l’utilisation du moteur ionique possible pour les vols spatiaux à très grande distance du Soleil, là où des panneaux photovoltaïques ne peuvent plus fournir assez d’énergie.

Notes et références

1. ↑ http://www.boeing.com/defense-space/space/bss/factsheets/xips/nstar/ionengine.html Le NSART moteur ionique de BOEING
2. ↑ L'Europe redécouvre la Lune grâce à SMART-1.

Voir aussi

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• « Ion propulsion », sur Wikimedia Commons (ressources multimédia)

Articles connexes

• Propulsion ionique
• Propulsion électrique spatiale
• SMART-1

Liens externes

• (en) Article sur les moteurs ioniques sur le site de l’ESA