Conquête Spatiale

Propulsion Électrique

La propulsion électrique est une propulsion à réaction dans laquelle l’électricité est utilisée comme source d’énergie pour accélérer un élément gazeux.

Contrairement à la propulsion chimique, ce type de propulsion spatiale n’est pas assez puissant pour fournir un rapport poussée/poid suffisant (poussées inférieures à 1 newton, soit 100 gramme-force) pour mettre en orbite des satellites. Mais elle permet de réduire remarquablement (jusqu’à dix fois) la masse d’ergols (solution destinée a fournir de l’énergie) nécessaire pour manœuvrer un engin dans l’espace par rapport aux autres types de propulsion. L’énergie électrique est fournie généralement par des panneaux solaires, mais elle peut venir de générateur thermoélectrique à radio-isotopes.

Des prototypes de ces propulseurs ont été développés dans les années 1960, mais c’est depuis les années 2000 que son emploi s’est élargit pour les corrections d’orbites des satellites circulant en orbite géostationnaire, et sur certaines sondes destinées à l’exploration de système spatial (Smart 1, Dawn, Hayabusa, BepiColombo). De nombreuses techniques coexistent, mais deux catégories se sont particulièrement développées : les moteurs à effet Hall et les moteurs ioniques à grilles.

           Effet Hall

Un moteur à effet Hall (parfois appelé moteur à plasma stationnaire) est une propulsion à plasma qui utilise un champ électrique pour accélérer des ions. Il est dit à effet Hall car il utilise un champ magnétique pour retenir les électrons qui serviront à ioniser un gaz. Ces ions sont alors accélérés et produisent une poussée. Ce type de propulsion entre dans la catégorie des propulseurs électriques pour systèmes spatiaux.

Différents gaz peuvent servir dans ces types de propulseur. Par exemple: le xénon (le plus couramment utilisé). Les autres peuvent être notamment le krypton, le bismuth, l’argon, l’iode, le magnésium et le zinc.

Ces engins sont capables d’accélérer ces gaz à une vitesse comprise entre 10 km/s et 80 km/s. La plupart des modèles réussissent entre 15 et 30 km/s pour des impulsions spécifiques respectives de 1 000 à 8 000 secondes et 1 500 à 3 000 secondes. La poussée produite par les propulseurs à effet Hall varie en fonction de la puissance électrique qui leur sera fournie, par exemple une puissance de 1,35 kilowatt (kW) à 10 kW, propulse les gazes à une vitesse de 10 km/s à 50 km/s (équivalent à une force de 40 à 600 millinewtons). Certains possédant une grande puissance, dégagent une force de plus de 5,4 newtons en laboratoire.

L’agitation des atomes émet une couleur visible à la sortie du propulseur, elle dépend du gaz utilisé. Par exemple, le modèle au xénon produit une couleur bleutée.

L’application de ces moteurs est principalement pour le contrôle de l’orientation et de la position des satellites en orbite, et aussi pour les robots spatiaux de taille moyenne.

Champ Électrique

 

En physique, le champ électrique est le champ vectoriel créé par des particules électriquement chargées. Plus précisément, ces particules modifient les propriétés de l’espace locale. Si une autre charge se trouve dans ce champ, elle subira l’action de la force électrique exercée à distance par la particule: le champ électrique est en quelque sorte le « médiateur » de cette action à distance.

Le champ électrique peut être défini comme le vecteur qui traduit l’action à distance subie par une charge électrique fixe dans un repère donné par toutes les autres charges, que celles-ci soient fixes ou mobiles. Ce vecteur est porté par une ligne (appelée ligne de champ) et son sens est dirigé vers les potentiels électriques décroissants. Par exemple si le champ est créé par une charge positive et négative, le sens du vecteur champ électrique est dirigé vers la charge négative.

Il peut aussi être défini comme toute région de l’espace dans laquelle une charge est soumise à une force de Coulomb.

Dans le cas de charges fixes dans le repère d’étude, le champ électrique est appelé champ électrostatique. Il est important de remarquer que ce dernier ne se confond pas en général avec le champ électrique tel qu’il a été défini avant. En effet, lorsque les charges sont en mouvement dans ce référentiel, il faut y ajouter un champ électrique induit dû aux déplacements des charges

pour obtenir le champ électrique complet.

Loi de Coulomb (électrostatique)

 

La loi de Coulomb en électrostatique, exprime la force de l’interaction électrique entre deux particules électriquement chargées. Et elle forme la base de l’électrostatique. Elle peut s’énoncer ainsi :

« L’intensité de la force électrostatique entre deux charges électriques, est proportionnelle au produit de ces deux charges, et elle est inversement proportionnelle au carré de la distance entre les deux charges. La force est portée par la droite passant par les deux charges. »

Moteur Ionique

 

Un moteur ionique est un moteur qui se propulse en accélérant des ions à très haute vitesse. En pratique ce terme désigne le moteur ionique qui utilise des grilles polarisées (nord/sud magnétique). C’est un propulseur électromagnétique car l’accélération des ions est obtenue à l’aide d’un champ électrique.

La poussée produite est très faible (entre 0,05 et 5 newtons en 2018) et c’est pour cela que son utilisation est réservée au domaine spatial. La vitesse de dégagement des ions très élevée (jusqu’à 50 km/s) et produit un rendement (impulsion spécifique) 10 fois plus élevé que les moteurs chimiques ce qui permet de diminuer le volume de l’engin spatial en réduisant la quantité d’ergols embarqué.

Le domaine d’application réservé au début aux petites corrections de trajectoire orbitale ou d’orientation s’est élargi à la fin du xxe siècle à la propulsion de sondes spatiales interplanétaires (Deep Space 1, Dawn, Hayabusa) et aux mises en orbite géostationnaire depuis une orbite basse (satellite de télécommunications).

 

 

L ’Électrostatique

L’électrostatique est le domaine de la physique qui étudie les phénomènes créés par des charges électriques statiques (immobiles) pour l’observateur. Par exemple, le condensateur dans un circuit électrique est toujours correctement décrit par ces mêmes lois même s’il fonctionne à de très hautes fréquences.

Depuis l’Antiquité, nous avons découvert que certains matériaux (comme l’ambre) attirent des objets de petite taille après avoir été frottés. Le mot grec de l’ambre, ήλεκτρον (électron) a donné son nom à de nombreux domaines scientifiques. L’électrostatique décrit notamment les forces qu’exercent les charges électriques entre elles : il s’agit de la loi de Coulomb expliquée ci dessus.

Même si ces forces semblent (à notre échelle) relativement faibles, les forces d’origine électrostatique sont remarquablement puissantes. Entre des charges électriques élémentaires (principalement les protons et les électrons), ces forces sont supérieures de 40 ordres de grandeur à la force de gravitation. Si elles nous paraissent si faibles, c’est justement parce qu’à cause même de l’intensité de ces forces, les charges positives et négatives sont forcées d’être presque exactement à l’équilibre et que les forces d’attraction et de répulsion s’annulent à l’échelle macroscopique (visible à l’oeil nu). En réalité, pour comprendre leur force réelle, il faut réaliser que ce sont elles qui font que des objets solides ne passent pas à travers et qui font la cohésion des matériaux les plus durs. Si on réussissait à éliminer, rien que la dernière couche d’électrons des atomes, la matière se désintégrerait rien que par les forces de répulsion qui apparaîtraient entre les noyaux électriquement positifs.

Propulseur Magnétoplasmadynamique

Un propulseur magnétoplasmadynamique (MPD ou MPDT pour magnétoplasmadynamic thruster), appelé également accélérateur à force de Lorentz (LFA pour Lorentz Force Accelerator), est l’une des technologies de propulsion électrique qui s’inscrit dans les prochaines explorations spatiales du xxie siècle. Cette propulsion de nature électromagnétique (tout comme le moteur ionique) utilise la force de Lorentz pour accélérer un gaz ionisé (plasma) qui procure une poussée par réaction. C’est un type d’accélérateur MHD (magnétohydrodynamique) spatial.

Force de Lorentz

 

La force de Lorentz (ou force électromagnétique) est la force qui est subie par une particule chargée dans un champ électromagnétique (représentation dans l’espace de la force électromagnétique qu’exercent des particules chargées). C’est la principale démonstration de l’interaction électromagnétique (faisant parti des 4 interactions élémentaires). Cette force, appliquée dans diverses situations, provoque l’ensemble des interactions électriques et magnétiques recensées ; elle donc généralement étudiée en physique et en chimie.

 

Électromagnétisme

 

L’électromagnétisme, aussi appelé interaction électromagnétique, est le secteur de la physique qui étudie les interactions entre différentes particules électriquement chargées (qu’elles soient au repos ou en mouvement, et plus généralement les effets de l’électricité) en utilisant la notion de champ électromagnétique. Il est donc possible de définir l’électromagnétisme comme l’étude du champ électromagnétique et de son interaction avec les particules chargées. Le terme d’électromagnétisme fait référence au fait que les phénomènes électriques et magnétiques ont été vus comme indépendants jusqu’en 1860, quand Maxwell a montré qu’ils n’étaient que deux aspects d’un même ensemble de phénomènes: l’électromagnétisme.

L’électromagnétisme est une des grandes branches de la physique dont le domaine d’application est très vaste. L’électromagnétisme permet de comprendre l’existence des ondes électromagnétiques, c’est-à-dire autant les ondes radio que la lumière, mais aussi les micro-ondes et le rayonnement gamma (radiation). Ainsi, dans son article de 1864, « A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field », Maxwell écrit :

« L’accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature et que la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l’espace suivant les lois de l’électromagnétisme ».

D’après ceci, l’optique tout entière peut être vue comme la manifestation de l’électromagnétisme. L’interaction électromagnétique fait partie des quatre interactions fondamentales ; elle permet de comprendre (avec la mécanique quantique) l’existence, la cohésion et la stabilité des édifices chimiques comme les atomes ou les molécules, des plus simples aux plus complexes.

La nécessité de rapprocher théorie électromagnétique et mécanique quantique a conduit à la construction de l’électrodynamique quantique qui interprète l’interaction électromagnétique comme un échange de particules appelées photons.

 

 

Interactions élémentaires

Seulement quatre interactions élémentaires sont responsables de tous les phénomènes physiques recensés dans l’Univers, toutes se manifestes par une force dite fondamentale. Ces forces sont :

– l’interaction nucléaire forte ;

– l’interaction nucléaire faible ;

– l’interaction électromagnétique ;

– l’interaction gravitationnelle.

 

En théorie quantique des champs (électrique, magnétique…) ces forces sont décrites par l’échange de bosons (particule élémentaire) virtuels : le modèle standard de la physique des particules décrit les interactions forte, faible et électromagnétique, mais une théorie quantique des champs n’a pas encore pu être élaborée pour la force gravitationnelle.

 

 

RÉSOUDRE LE PROBLÈME DE L’ÉNERGIE DANS L’ESPACE

 

 

 

Générateur Thermoélectrique à Radio-isotopes

Un générateur thermoélectrique à radio-isotope est un générateur électrique nucléaire de conception simple, produisant de l’électricité avec de la chaleur qui résulte de la désintégration radioactive de matériaux riches en un ou plusieurs radio-isotope, principalement du plutonium 238 sous forme de dioxyde de plutonium 238PuO2. Aujourd’hui, la chaleur est convertie en électricité par l’effet Seebeck à travers des couples thermoélectriques : les générateurs produits au siècle dernier utilisaient des matériaux silicium-germanium (alliage), ceux f actuellement mettent en œuvre plutôt des jonctions PbTe/TAGS, avec une efficacité énergique qui n’atteint jamais 10 %. Pour améliorer leurs performances, les recherches actuelles s’orientent vers des convertisseurs thermoïoniques et des générateurs Stirling à radio-isotope, capables de multiplier le rendement global par quatre.

De tels générateurs sont mis en œuvre en astronautique pour l’alimentation électrique des sondes spatiales, et plus généralement pour alimenter en électricité des équipements qui ont besoin d’une source d’énergie stable et fiable capable de fonctionner de façon continue sur plusieurs années sans maintenance directe ; par exemple pour des applications militaires, sous-marins, ou en milieux inaccessibles ; on avait ainsi conçu des générateurs miniatures pour stimulateur cardiaque au 238Pu, aujourd’hui remplacés par des technologies reposant sur des batteries lithium-ion.

 

 

Effet Seebeck

L’effet Seebeck est un effet thermoélectrique, par lequel une différence de potentiel (électrique) apparaît à la jointure de deux matériaux étant à une différence de température.

Ce phénomène physique est découvert par le physicien allemand Thomas Johann Seebeck en 1821. Il remarque que l’aiguille d’une boussole est déviée lorsqu’elle est placée entre deux conducteurs de natures différentes et dont les jonctions ne sont pas à la même température. Il explique alors ce phénomène par l’apparition d’un champ magnétique, et croit ainsi fournir une explication à l’existence du champ magnétique terrestre. Ce ne sera que plus tard que fut comprise l’origine électrique du phénomène.

 

Convertisseur thermoïonique

 

Un convertisseur thermoïonique est un générateur électrique thermoélectrique de conception simple, qui produit de l’électricité par l’émission thermoïonique. Dans un convertisseur comme celui-ci, des électrons sont émis au niveau d’une électrode chauffée en direction d’une électrode plus froide à travers une barrière de potentiel pour produire un courant électrique à travers un plasma entre les électrodes. Ce courant électrique a une intensité de plusieurs ampères par centimètre carré d’électrode émettrice, et il permet d’alimenter un système sous une tension typique de 0,5 à 1 Volts avec une efficacité énergétique de 5 à 20 % selon la température de l’électrode (1 250 à 1 750 °C) et le mode de fonctionnement de celui-ci.

En pratique, les convertisseurs thermoïoniques fonctionnent avec de la vapeur de césium132 entre les deux électrodes, car le césium est l’élément stable le plus facilement ionisable (rendre ion). Ceci modifie les propriétés à la fois du plasma et des surfaces actives de ces convertisseurs. La caractéristique la plus remarquable de ce système est le travail de sortie, qui s’oppose à l’émission des électrons et représente leur énergie de vaporisation depuis l’électrode émettrice. Elle est définie par la couche d’atomes de césium adsorbés à la surface de cette électrode.

Plusieurs modes de fonctionnement sont possibles, selon que le plasma est auto-entretenu à haute température (~ 2 750 °C) ou entretenu par injection dans un autre plasma plus froid de ions positifs produits en dehors du dispositif.

Barrière de Potentiel

 

Une barrière de potentiel est un niveau élevé d’énergie que doit posséder provisoirement un objet mécanique pour suivre une trajectoire au long de laquelle (globalement) moins d’énergie est requise. La partie au-delà de la barrière lui est impossible s’il n’atteint pas ce niveau d’énergie.

 

 

 

 

 

 

Interview de Eros Gabellini de la GDTech Engineering sur la Fusion nucléaire

 

 

Pourquoi est-t-elle importante ?

 

La fusion nucléaire est une énergie très importante parce qu’elle est propre et presque inépuisable. Donc, d’un coté il n’y a pas d’émissions de CO2 ou de gazes à effet de serre comme dans les énergies fossiles, et en plus elle utilise de l’hydrogène qui est l’élément le plus abondant dans l’univers et sur terre également.

Comment fonctionne-t-elle ?

 

La fusion, est la réaction de fusion d’atomes d’hydrogènes comme dans le soleil et dans toutes les étoiles. Dans toutes les étoiles, les atomes d’hydrogène (l’élément le plus léger, et le plus abondant dans tout l’univers) à des conditions de températures et de pressions élevées, fusionnent pour donner lieu à des atomes plus lourds comme l’hélium ou le lithium.

Pourquoi est-elle si compliquée à réaliser ?

 

Parce que, effectivement, pour obtenir la fusion de ces atomes d’hydrogènes: il faut des pressions et des températures très élevées qui se mesurent en million, cinq, dix millions de degrés celcius. Donc c’est très difficile, parce qu’il n’y a pas de matériaux qui puissent résister à cette

température. Donc on est obligés d’utiliser un confinement magnétique (pour l’hydrogène très chaud à des millions de degrés celcius) pour éviter qu’il soit en contact avec la parois du réacteur, parce que autrement les métaux fusionneraient.

Pensez-vous qu’on y arrivera un jour ?

 

Oui absolument ! Parce que c’est un sujet très important pour l’avenir de la planète, il y a beaucoup de réacteur de recherche qui fonctionnent déjà et qui ont prouvé que la fusion nucléaire est possible à réaliser dans un laboratoire ou une machine: il y a le projet à Boston de l’MIT,

il y a le projet à Oxford technologie en Angleterre, il y a le projet E-Terre ici à Cadarache; mais, il y a surtout des avancées technologiques qui commencent à accélérer les développements parce que on arrive à obtenir des champs magnétiques et des conditions dans la machine plus facilement qu’avec les technologies d’il y a quelques années.

Et récemment en plus, à Oxford il y a quelques semaines, ils ont obtenus une fusion qui a duré 5 secondes qui a l’air d’être un temps petit mais c’est un temps très très long, parce que une réaction de fusion dure quelques micro-secondes, une nanoseconde, donc ca veut dire que 5 secondes permet de démontrer qu’on peut obtenir une fusion en continue qui est donc capable de pouvoir fournir de l’énergie pour nos besoins de consommation quotidienne.

 

Giulia, Fabio et Marie-Florentine