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Moteurs ioniques
  • Catégorie Véhicules
  • Date 13/01/2014
  • Auteur(s) Xendor
  • Les moteurs ioniques... ou comment atteindre la planète Mars en moins de six mois !
  • Note du staff SWU
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  • Note des internautes
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Dans Star Wars, les vaisseaux utilisent des moteurs ioniques très puissants qui leur permettent de se déplacer rapidement à l'intérieur des différents systèmes solaires.

Cette technologie existe bel et bien dans notre monde réel, même si elle paraît beaucoup moins efficace.


Tout d'abord, parlons un peu « moteurs »


Les moteurs classiques utilisent une réaction chimique comme moyen de propulsion : le mélange d'un comburant , l'hydrogène liquide, et d'un carburant, le dioxygène liquide. L'ensemble s’appelle « propergol ».
Les gaz générés par le mélange vont chercher à sortir et ne trouveront que la tuyère pour s'évacuer. Cela génère une poussée qui fait décoller la fusée, c'est l'« action ». La « réaction », elle, sera le déplacement de la fusée à l'opposé : la fusée décolle.
moteur ioniquemoteur ionique
Si vous n'avez pas compris, gonflez un ballon puis lâchez-le sans l'avoir fermé : en expulsant l'air qu'il contient, le ballon avance vers l'opposé de l'éjection : action, réaction. Voilà, vous savez tout.

Le moteur ionique utilise un gaz comprimé qui est relâché dans la chambre de ionisation. Un premier canon à électrons tire sur les atomes de gaz pour leur arracher des électrons. Le gaz est ionisé positivement, il devient un plasma. On accélère ensuite sa trajectoire grâce à un champ électrique. Enfin, il faut tirer avec un second canon à électrons pour rendre des électrons aux atomes de gaz afin d'éviter que ce dernier ne fasse marche arrière. L'ensemble redevient électriquement neutre et est expulsé à une vitesse de 35 km par seconde : c'est la réaction.
On notera que c'est dans la phase d'accélération que l'on peut voir des différences selon les procédés. La NASA et la JAXA (Agence d'eXploration JAponaise) préféreront utiliser une grille métallique et son champ électrique pour générer l'accélération. L'ESA opte pour l'effet HALL, un effet électromagnétique. Bon nombre de sondes sont équipées de moteurs ioniques et l'efficacité de ce système est une réalité. La sonde DAWN, par exemple, accélère lentement mais durablement grâce à ses moteurs ioniques pendant son périple qui la mène de l'astéroïde Vesta (atteint en 2011) jusqu'à Cérès qu'elle atteindra en 2015.
Autre exemple, le programme NEXT (NASA's Evolutionary Xenon Thruster) a fêté l'année dernière les 5 ans et demi de service d'un moteur ionique en essai. Cela représente 48 000 heures, sans faire le plein, et en se servant de l'énergie solaire.


Le système ionique est donc radicalement à l'opposé des moteurs à réaction chimique. Ce serait comme comparer le lièvre et la tortue. L'avantage du moteur ionique, c'est son faible poids par rapport à sa capacité d'accélération une fois dans l'espace. Lançons deux satellites en même temps : l'un équipé d'un moteur d'appoint classique et l'autre d'un moteur ionique.
Là où le système classique va rapidement atteindre sa vitesse de croisière par rapport au carburant embarqué, le moteur ionique, lui, va pouvoir continuer son accélération. Le lièvre finira par se faire rattraper par la tortue et se fera même largement dépasser !

Pourtant, aucun moteur ionique n'est assez puissant pour arracher un vaisseau à la pesanteur terrestre. La poussée étant insuffisante, ils sont seulement efficaces une fois dans l'espace. De plus le moteur ionique nécessite d'être dans le vide pour pouvoir fonctionner correctement. Star Wars a de l'avance sur nous.


Des vols à moindre coût


Comme nous venons de le voir, plusieurs versions du moteur ionique existent déjà. L'une d'entre elles est la version « low-cost ».

Les chercheurs de l'EPFL et leurs partenaires européens, ont travaillé sur le développement d'un moteur nommé MicroThrust. Ce mini moteur qui pèse environ 200 grammes, est si petit qu'il pourra s'intégrer sans problème aux CubeSat. Le prototype devrait équiper SpaceCleanOne, un CubeSat capable de ramasser un débris spatial en orbite autour de la Terre pour l'emporter et le faire brûler dans notre atmosphère. Comme je l'évoquais dans l'article sur les voiliers solaires, l'orbite de la Terre est particulièrement polluée, d'où l'intérêt de ce genre de mission.
Si on peut douter de l'intérêt du procédé kamikaze (un seul débris collecté, le CubeSat est détruit en même temps que le déchet), on peut tout de même espérer que des modifications soient apportées à SpaceCleanOne si les résultats sont concluants. Ce moteur ionique pourrait donc permettre à de petits satellites (jusqu'à 100 kg) de pouvoir changer d'orbite, voire de s'éloigner et de passer à une deuxième phase d'exploitation du satellite.
moteur ionique
Le moteur utilise un liquide chimique baptisé « EMI-BF4 ». Ce liquide est composé d'ions. On attire et on éjecte ces ions grâce à un champ électrique. Comme nous l'avons vu, c'est l'éjection qui créé la poussée. La plupart du temps, le gaz utilisé pour l'ionisation est du xénon (un gaz noble plus adapté que l'argon ou le krypton).
Vu sa taille, la vitesse d'accélération est forcément très lente. Le moteur passerait de 0 à 100 km/h en 77 heures. En revanche, une fois lancé, rien ne pourra le freiner dans l'espace. C'est ainsi qu'un microsatellite pourrait atteindre 42 000 km/h après 6 mois de propulsion ionique dans le vide sidéral.

L'énergie nécessaire à la propulsion de SpaceCleanOne était limitée. SystematIC Design, une entreprise hollandaise qui fait partie des partenaires du projet, a résolu le problème en rendant le système viable. Leurs nanosatellites OLFAR auront pour objectif de chercher des ondes ultra basse fréquence derrière la Lune et devraient bénéficier de ce système. Récemment, Swiss Space Systems a investi 12 millions d'euros dans l'aventure de Space Clean One pour faire aboutir le projet vers 2018.

Raxus Prime n'a qu'à bien se tenir !


Terre-Mars en 39 jours !


« Le développement de systèmes de propulsions novateurs et de nouvelles technologies avancées sera fondamental afin de prétendre à l'exploration de l'espace profond. »
Discours du président américain Barack Obama, le 15 avril 2010.

Dans son discours, le président OBAMA annonce qu'il soutiendra la NASA dans cette voie. Et c'est le cas, depuis des décennies déjà, avec le programme VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket).
Ce moteur qui reste à l'état de projet est développé par AD-ASTRA ROCKET COMPANY (AARC) et l'accord de partenariat avec la NASA vient d'être renouvelé le 19/12/2013. Ce système est beaucoup plus puissant que les moteurs ioniques classiques.moteur ioniquemoteur ionique
Il a été inventé par un ancien astronaute du nom de Franklin R. CHANG-DIAZ.
Ce physicien travaille sur ce projet depuis 1977 ! Il annonce une véritable révolution grâce à son concept et n'a aucun doute sur la viabilité du système.
En effet, un voyage aller vers Mars serait beaucoup plus rapide : 39 jours au lieu de 6 mois ! Même si cela reste long, la différence est énorme et ouvre de nouvelles perspectives quand on se déplace à 51 km/s !
De quoi pulvériser les prévisions du programme de MARS ONE !
Si CHANG-DIAZ est si confiant, c'est parce qu'il a déjà testé son moteur et il fonctionne : le VX-200 est prometteur.

Pourquoi ce moteur est-il plus puissant ?
La technique est légèrement différente de ce que nous venons de voir. On ionise tout d'abord un gaz (à priori, ce serait l'argon pour la mission vers Mars). Le gaz étant chauffé à très haute température, il se transforme en plasma. Il est ensuite confiné et soumis à un puissant champ magnétique qui génère une énorme force d'accélération avant de l'éjecter.
Selon un rapport d'AD ASTRA : la fusée Vasimr dotée d'une impulsion spécifique (Isp) de 5000 secondes, d'une force de 5 Newton par moteur, d'une puissance couplée de 200 kW et d'un rendement de poussée de 78% est capable d'emporter 34.7 tonnes de matériel sur Mars en approximativement 39 jours.
On croit rêver...!

Pour alimenter en électricité l'ensemble des 45 moteurs ionique de la mission VASIMR vers Mars, il faudra 9 mégawatts. 9 MW, c'est par exemple l'équivalent du micro-réacteur nucléaire en développement par TOSHIBA, le 4 S. C'est aussi 5 fois moins qu'un sous-marin nucléaire de classe Rubis (48 MW). AD-ASTRA imagine des mixes énergétiques avec du nucléaire et de gigantesques panneaux solaires. En réalité, peu importe comment seront obtenus les 9 MW, ils sont indispensables pour la réussite du projet.
Il faut cependant différencier un moteur ayant déjà rempli son rôle d'un prototype, même s'il fonctionne comme prévu. La seule façon d'être sûr de la valeur de VASIMR sera de le voir en action réelle. Mais pour l'heure, aucun test n'a encore été fait dans l'espace.
Franklin CHANG-DIAZ et son VASIMR ont d'ailleurs des détracteurs. L'un des plus virulents est sans doute Robert ZUBRIN, le président de Mars Society. moteur ioniqueEn 2011, ZUBRIN répond à une interview de SPACE NEWS et parle de VASIMR comme d'une vaste supercherie tout en invitant le gouvernement américain à revoir ses investissements. Il présente le projet comme irréalisable au regard des moyens actuels. Robert ZUBRIN est particulièrement critique sur le moyen d'alimenter ce moteur ionique qu'il juge farfelu. Il parle d'un écran de fumée de la part de l'administration américaine et démontre également qu'il faudrait des moyens colossaux pour faire décoller une fusée transportant autant de matériel.
CHANG-DIAZ a répondu à ces remises en cause en expliquant que ZUBRIN parlait sans maîtriser son sujet, car le moteur VX-200 fonctionne très bien. CHANG-DIAZ a ensuite mis en avant les futurs tests qui sont prévus (sur la Station Spatiale Internationale). Il a également expliqué que le vaisseau pourrait être assemblé en plusieurs étapes dans l'espace avant d'être lancé vers Mars.

Il est possible que ZUBRIN comme CHANG-DIAZ aient exagéré l'un comme l'autre. De plus il est très difficile de juger certains éléments sans connaître l'état d'avancement du projet.
Il y a à peine 10 ans, on jugeait « impossible » la réduction des coûts spatiaux et « fantaisiste » le développement du secteur spatial privé. Cette vision « impossible » appartient désormais au passé. Aujourd'hui, rien ne paraît fou même si, comme c'est le cas pour VASIMR, l'argent a une importance fondamentale. CHANG-DIAZ a même précisé que si personne ne voulait soutenir son projet, il pourrait chercher un financement auprès de la Chine. Mais ce ne sera sans doute pas aussi simple en raison des problèmes liés au transfert de technologie.

Quoi qu'il en soit, il s'agit là d'un lauréat du programme de la NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), avec une récompense de 100 000 $ pour un an de développement à chacun des 15 projets sélectionnés parmi plus de 700 propositions.


Un moteur ionique à fusion nucléaire ?


L'un des 15 autres lauréats de la NIAC, la société MSNW, propose de partir vers Mars à l'aide d'un moteur ionique fonctionnant grâce à la fusion.
John SLOUGH (président de MSNW) explique que des panneaux solaires recueilleront l'énergie nécessaire pour créer la fusion.
L'équipe de recherche a mis au point un type de plasma qui est enfermé dans un champ magnétique. Il est alors encerclé et compressé par des anneaux de lithium : c'est ce qui provoquent la fusion. Le lithium est vaporisé et ionisé par la fusion et est éjecté, provoquant ainsi la poussée. Cette opération est répétée toutes les minutes et propulse le vaisseau à très grande vitesse. moteur ioniquemoteur ionique

SLOUGH affirme que l'équivalent d'un grain de sable de ce matériau a le même contenu énergétique qu'un gallon de carburant de fusée(soit 3,785 litres). De plus l'énergie sert à la propulsion mais également à l'alimentation électrique du vaisseau. Les tests en laboratoires sont concluants et les ingénieurs du projet sont déjà très optimistes. SLOUGH rassure également quant aux craintes liées à l'énergie de fusion : la puissance d'une explosion de ce moteur ionique à fusion serait 1 milliard de fois moins importante que celle d'une bombe H. L'équipage n'aura donc pas de risque majeur à craindre.

Les premiers tests réalisés en laboratoire (avec de l'aluminium au lieu du lithium) ont été concluants et sont porteurs d'espoir pour toute l'équipe. Les chercheurs ont travaillé cet été sur la fusion. Au mois de novembre, lors d'un Symposium de la NIAC, les chercheurs ont insisté sur le fait que "c'est probablement le système de propulsion par fusion, le plus simple, direct et moins cher que l'on puisse imaginer". À cela, on peut ajouter l'argument d'Anthony PANCOTTI (l'un des chercheurs) : "Les fondamentaux de la physique ont été démontrés en laboratoire avec le matériel, et les rendements de fusion ont été atteints. Alors ce dont je vous parle, c'est la construction d'un dispositif avec une physique déjà connue et avec une méthode éprouvée".moteur ionique Pourtant, tout comme VASIMR, ce moteur devra être testé dans l'espace pour pouvoir faire ses preuves. C'est d'ailleurs tout le paradoxe dans ce type de recherche (et avec de si petits budgets) : il est nécessaire d'être crédible pour être testé dans l'espace, or le meilleur moyen de gagner en crédibilité est justement d'être testé dans l'espace...
Le moteur, baptisé IPA (Inductive Plasmoid Accelerator) permettrait d'atteindre Mars en 90 jours.
Le programme de MSNW se base sur une mission de 210 jours avec :
- 83 jours à l'aller,
- 30 jours sur la planète Mars,
- 97 jours au retour.

Ce serait donc un moteur moins performant par rapport aux 39 jours promis par AD ASTRA. Mais dans les conditions actuelles de développement, il est très difficile de dire lequel des deux tiendra vraiment ses promesses.
John SLOUGH et son équipe utilisent tout de même un argument de poids : ce vaisseau serait plus économique que toutes les promesses actuelles pour aller sur Mars. C'est peut-être ce qui permettra à son IPA de rester dans la course !



Alors, où est-il ce moteur ionique que l'on voit dans Star Wars ? La solution serait peut-être de mélanger toutes ces idées... mais cela ne suffira pas. La matière première, dans cette aventure, va au-delà de la matière grise : c'est l'argent (une fois de plus).
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