Archives de catégorie : Propulsion & Espace

Living Universe

Une extraordinaire aventure à laquelle je suis fiers, et enchanté à la fois, d’avoir participé.

Bien venu à bord du vaisseau Minerva…

LIVING UNIVERSE, un voyage interstellaire, une épopée moderne à la recherche d’une vie extra-terrestre complexe.

Les participants, l’ensemble des scientifiques sélectionnés.
Une belle récompense, une reconnaissance, pour moi et mon équipe. La question qui nous a été posée : la propulsion par plasma est-elle la mieux adaptée aux voyages vers les étoiles et les exoplanètes ? Oui et non à la fois…

LE FILM, version australienne.
Il existe également une version française qui sera diffusée sur la chaîne Arte, en 4 épisodes, dans le courant de l’année. Alors que notre intervention ne dure que trois minutes dans la version australienne (à partir de 1h12), la séquence sur la propulsion à plasma (épisode 2) est bien plus longue dans la version à venir.

La photographie ci-dessous est celle du propulseur à courant de Hall PPS-20K (20 kW de puissance nominale) prise lors du tournage du documentaire au sein de mon laboratoire au mois de juillet 2016. Le tournage, qui a duré trois jours, reste une expérience inoubliable pour tous les membres de mon équipe. On a découvert des gens agréables et très professionnels, un autre univers, d’autres méthodes de travail. Au final on s’est bien amusé même si parfois la répétition des scènes fut éprouvante. On a désormais tous hâte de voir le documentaire complet sur Arte – filmé en 4K – même si on a déjà visionné notre partie.

Propulseur de Hall PPS-20K (SAFRAN / CNRS) avec la chambre à vide NExET en arrière plan.

Exploration spatiale

Photographie de l’objet céleste Ultima Thule prise par la sonde New Horizon.

La fin de l’année 2018 et le début de 2019 ont été riche en événements dans le domaine spatial. On assiste clairement depuis plusieurs années à un regain d’intérêt de la part des états (USA, Chine, Inde, Europe, Japon en particulier) mais aussi des entreprises privées pour l’exploration spatiale. Il faut s’en féliciter et y voir peut-être le retour à un nouvel âge d’or qui je le souhaite conduira à la construction de bases lunaires, prémices à la colonisation de notre satellite naturel, à l’arrivée de l’homme sur la planète Mars, à une exploration approfondie du système solaire avant son exploitation et, pourquoi pas, à l’envoi de sondes vers d’autres étoiles et vers des exoplanètes.

Mais revenons aux semaines passées. Trois grands événements sont à retenir.

Ultima Thule
L’image ci-dessus est une photographie d’Ultima Thule prise le 1er janvier lors de son survol par la sonde américaine New Horizon lancée en 2006 et dont l’objectif premier était le survol de Pluton (qui a eu lieu en 2015). Ultima Thule, qui appartient à la ceinture de Kuiper, est l’objet le plus éloigné de la Terre jamais exploré par l’homme. On a tous été surpris par sa forme surprenante et inattendue qui consiste en deux sphères connectées.
Cela fait penser à l’étonnement lorsque les premières images à haute résolution de l’astéroïde Ryugu envoyée par la sonde japonaise Hayabusa 2 nous sont parvenues.

Photographie de l’astéroïde Ryugu prise par la sonde Hayabusa 2.

Mission Insight Mars
L’atterrisseur InSight de la mission Insight Mars s’est posé sur le sol martien le 26 novembre. Il doit étudier les ondes sismiques et étudier le sol en profondeur. Pour mener à bien son programme de recherche, l’atterrisseur, ou station au sol, emporte deux instruments scientifiques : le sismomètre SEIS, développé en France, et HP3, un instrument qui permet de mesurer les flux de chaleur en provenance du cœur de la planète.

Face cachée de la Lune
Le 3 janvier au matin, le rover Yutu 2 de la mission chinoise Chang’e 4 s’est posé dans le cratère lunaire Von Kármán. Il s’agit d’une performance historique car Yutu 2 est le premier rover à fouler le sol de la face cachée de la Lune, celle que l’on ne voit jamais depuis la Terre. Pour communiquer avec la sonde les scientifiques chinois utilise comme relai le satellite Queqiao qui est positionné au point de Lagrange L2.

La propulsion électrique à l’ère des microsatellites

Le magazine Industrie et Technologies a publié au mois de décembre dans son cahier technique un article sur la propulsion spatiale électrique dont je suis l’auteur. L’article est intitulé La propulsion électrique à l’ère des microsatellites (n° 1015-1016, déc. 2018, pages 53-60). J’ai pris beaucoup de plaisir à écrire cet  article et a travaillé avec la rédaction de ce magazine français consacré à la veille technologique.

L’article est une introduction à la propulsion électrique (PE) destinée aux étudiants, techniciens et ingénieurs qui souhaitent en savoir d’avantage sur ce mode de propulsion pour les satellites et les sondes d’exploration. J’y décris le principe physique de base et ses implications, les avantages et limites de la PE avant de détailler les trois grandes familles de propulseurs électriques. Je termine par un bref historique et les utilisations actuelles et futures en mettant l’accent sur la micropropulsion c’est à dire l’ensemble des systèmes propulsifs développés pour les nano- et les micro-satellites.

La version intégrale de l’article est disponible ici.

Rencontres du Ciel et de l’Espace

J’étais invité hier à la 11ème édition des Rencontres du Ciel et de l’Espace, qui se déroule du 1er au 3 novembre 2018 à la Cité des sciences et de l’industrie de Paris.

J’ai participé à une table ronde, dans un amphithéâtre bondé, sur Le défi du voyage vers les étoiles. Elle était animée par Alain Cirou, directeur général de l’Association Française d’Astronomie et de la rédaction du magazine Ciel et Espace.
J’ai ainsi débattu pendant une heure avec Pete Worden, directeur du projet Breakthrough Starshot (la partie exploration du programme Breakthrough Initiatives), avec Nicolas Prantzos, astrophysicien à l’Institut d’Astrophysique de Paris, que je remercie encore chaleureusement pour la dédicace de son livre Voyages dans le futur, et avec Pierre Kervella, astronome à l’Observatoire de Paris.

Propulseur ISCT100 v3

Propulseur de Hall ISCT100-v3 à aimants permanents (@ EP team ICARE).

Voici le dernier né des propulseurs de la série ISCT développés au sein de mon équipe. Il s’agit du propulseur ISCT100-v3. C’est un propulseur à aimants permanents de catégorie 100 W. Il succède au propulseur ISCT100-v2 (voir liste des pubications) qui affiche des performances remarquables en xénon dans cette gamme de puissance : 7,5 mN de poussée, 1350 s d’Isp et 39 % de rendement anodique à 130 W. On distingue sur la photographie ci-dessus une nouvelle cathode creuse de classe 1 A en cours de développement et de test à l’ICARE.

Le propulseur ISCT100-v3 est destiné à la propulsion des micro-satellites. Son grand rapport poussée sur puissance (60 mN/kW) combiné à une impulsion spécifique de très loin supérieure à celle des propulseurs chimiques et thermo-électriques permet de réaliser des manoeuvres en un minimum de temps et d’atteindre une impulsion totale élevée (> 5 kNs).

Articles

Si vous jeter un coup d’oeil à ma liste de publications, vous trouverez deux nouveaux articles écrit avec, entre autres, mon collègue Igor Levchenko de l’Université de Technologie de Nanyang (NTU) à Singapour :

Prospects and physical mechanisms for photonic space propulsion
I. Levchenko, K. Bazaka, S. Mazouffre, S. Xu, Nature Photonics 12, pp. 649–657 (2018).

Mars Colonization: Beyond Getting There
I. Levchenko, S. Xu, S. Mazouffre, M. Keidar, K. Bazaka, Global Challenges 2, 1800062 (2018).

J’ai enseigné la propulsion par faisceaux de particules, qui englobe la propulsion photonique, à SupAéro il y a quelques années. Ce mode de propulsion spatiale présente deux avantages majeurs par rapport aux autres technologies, i.e. chimique, électrique et nucléaire : i) il n’y a pas besoin d’ergol et ii) la source d’énergie à l’origine de la poussée n’a pas à être embarquée dans le véhicule. En contre-partie, le niveau de poussée est très faible donc la durée du voyage est très longue. Ce type de technologie, non validée in situ, est réservée aux voyages interplanétaires, voire interstellaires. Le projet Breakthrough Startshot en est un bon exemple.
Après un état de l’art sur la propulsion photonique, nous explorons dans cet article publié dans Nature les pistes pour une amélioration des systèmes.

Le deuxième article est le fruit d’une belle aventure. Il traite de l ‘exploration et de la colonisation de la planète Mars mais d’un point de vue inédit jamais abordé en profondeur à connaissance. Il ne s’agit pas ici d’analyser un voyage vers la planète rouge ni même les moyens et méthodes pour sa colonisation, il y a des dizaines, voire centaines, d’articles sur ces sujets, mais de réfléchir à l’après, comme nous l’écrivons. Imaginée une société établie sur Mars, comprenant des centaines, milliers d’individus. Pour que cette société fonctionne correctement, perdure et s’épanouisse, il faudra avoir réfléchi au préalable à sa gestion, ses structures politiques, le droit appliqué, qui régira e.g. la nationalité, les frontières, la propriété, la justice, l’économie, les relations avec la Terre… Nous abordons ces thèmes dans ce papier en essayant de mettre sur table toutes les questions soulevées. Un travail de fourmi sur un thème à la frontière de nos disciplines mais qui s’est avéré passionnant et riche d’enseignements in fine.

Propulseur de Hall en LEGO

Propulseur de Hall ISCT-Lego (@ EP team, CNRS – ICARE)

Je voulais le faire depuis très longtemps ; des années en fait. Mais je n’ai jamais su trouver les heures nécessaires à sa réalisation, jusqu’à cet été. Je tiens donc à remercier ici Alexis (étudiant à l’IPSA) pour son aide plus que précieuse dans la concrétisation de cette envie. De quoi s’agit-il ? D’un propulseur de Hall en LEGO comme le montre l’image ci-dessus. Il est composé de 223 briques LEGO réparties suivant 47 types différents. Sa conception aura nécessité environ 20 heures de travail. Son assemblage prend un peu moins d’une heure.

Cette maquette, ou ce modèle, à votre convenance, représente un propulseur de catégorie 300 W équipé de bobines magnétiques plutôt que d’aimants. On distingue aussi clairement la cathode externe (un peu surdimensionnée ici).

Prix de revient du modèle ISCT-Lego : 50 euros.

MPCS 3

Je viens de participer à la 3ème édition du congrès international MicroPropulsion & CubeSats. Après Bari et Singapour, le congrès, organisé par mon collègue Michael Keidar, se déroulait à Washington D. C. Nous étions une soixantaine de scientifiques, majoritairement américains, réunis à l’Université G. Washington pendant deux jours pour débattre des avancées et nouveautés dans ce domaine en expansion rapide.
Contrairement aux deux premières éditions, un très faible nombre de conférences étaient dédiées aux propulseurs de Hall miniatures, ce qui montre que cette technologie devient mature, avec de nombreux acteurs, mais aussi que les autres technologies progressent.
Plusieurs présentations concernaient les propulseurs ElectroSprays, FEEP, PPT et VAT, avec des exemples de missions passées et à venir ainsi que les retours en vol des missions réalisées par des cubesats équipés des FEEP d’Enpulsion.
On a également parlé des développements des propulseur à micro-ondes de type résistojets (faible impulsion spécifique et forte densité de poussée) avec des carburants alternatifs type S02, H20, NH3, tels que ceux proposés par les sociétés Vacco et Momentus. Busek a révélée les dernières avancées sur son petit moteur ionique à grilles à di-iode équipée d’une cathode RF dérivée de leur moteur car l’iode reste difficile a employé avec cathodes à émetteurs thermoioniques.
Il a bien sûr été question de simulations numériques et de travaux plus fondamentaux, notamment sur les tuyères magnétiques. De notre côté, j’ai présenté les premiers résultats de Diffusion Thomson Incohérente obtenus sur une cathode et un propulseur de Hall de 200 W. Ces études ont été accueillies avec enthousiasme par la communauté ; une fois encore, la France est en avance.

La prochaine édition du congrès MPCS se tiendra à Pékin en Chine en Mai 2019. Quant à la cinquième édition, elle sera organisée en France à Toulouse par moi-même et mon ami Laurent Garrigues avec le soutien du CNES.

Space Propulsion 2018

L’édition 2018 du congrès Space Propulsion se tenait à Séville en Espagne du 14 au 18 mai.
Mon équipe était bien sûr sur place pour présenter des résultats de recherche sur l’écrantage magnétique des petits propulseurs de Hall (P < 300 W) et sur les cathodes/neutraliseurs.

Voilà d’après moi ce qu’il faut retenir de ce congrès :

      • Le nombre de participants avoisinait 700, ce qui démontre l’intérêt de ce congrès européen et sa place sur la scène internationale, son importance pour tous les acteurs du domaine et la bonne santé du secteur spatial.
      • Les travaux de R&D sur les micropropulseurs pour les satellites (CubeSats, micro- et mini-satellites)  prennent de l’importance avec une augmentation significative du nombre de laboratoires, instituts et entreprises (dont des startups) concernés. Aucun type de systèmes propulsifs n’est épargné avec des progrès à tous les niveaux : propulseurs, composants et systèmes. La « révolution d’échelle » est en marche avec à la clé un accès à l’espace plus simple, plus rapide, moins coûteux et des possibilités en termes de missions, exploitation et marché que l’on a encore du mal à cerner dans leur globalité.
      • De nouvelles expériences réalisées par mon collègue Martin Tajmar de l’Université de Dresden montrent qu’il est fort probable – comme je le pense, voir mon article du 2 janvier 2017 – que le concept d’EM-Drive ne génère aucune poussée, contrairement à ce que certains maintiennent depuis des années. Comme je l’ai expliqué à plusieurs reprises, la « poussée » qui semblait avoir été observée dans certaines manipulations est en fait un artefact, une erreur de mesure. Martin a par exemple expliqué lors de sa conférence au SP 2018 qu’il fallait prendre en compte les effets électromagnétiques (inductifs et capacitifs) au niveau des câbles et des structures. Il faut aussi se méfier des effets thermiques et des effets mécaniques dus à la pression de radiation du champ électromagnétique dans la cavité RF. Des expériences très minutieuses sont également en cours au NRL (voir le congrès IEPC 2017). Je suis convaincu qu’elles aboutiront à la conclusion que l’EM-Drive ne génère aucune force et que la loi de conservation de la quantité de mouvement n’est pas violée.

Falcon 9 Block 5

J’ai suivit hier soir en direct avec enchantement le lancement depuis Cap Canaveral de la fusée Falcon 9 Block 5 de Space X. Vol parfaitement réussi avec récupération du premier étage sur une barge située dans l’océan atlantique. Il s’agissait du vol inaugural de la nouvelle version du lanceur Falcon 9, la version quasi finale. Le modèle Block 5 nécessite une maintenance très réduite après récupération ce qui va faciliter sa réutilisation. E. Musk vise 24 heures entre deux lancements consécutifs. S’il y parvient – faisons lui confiance – le domaine connaîtra un bouleversement majeur.

Tout bouge très vite actuellement dans l’aérospatial. Space X réfléchit à la récupération du deuxième étage de Falcon 9 et de la coiffe, de quoi encore réduire les coûts. Blue Origin progresse aussi de son côté et pourrait bientôt concurrencer Space X. La Chine fait peu de bruit mais réalise des pas de géants dans tous les secteurs. L’Europe n’est pas en reste même si elle a les moyens de faire beaucoup mieux. Les grands acteurs se transforment et voient grand. Des startups se créent chaque jour partout sur la planète. Leurs dirigeants, dynamiques et motivés, proposent de nouveaux concepts, des innovations et solutions et des projets qui concernent l’orbite terrestre, la Lune, les astéroïdes, les planètes géantes et leurs satellites, voire les exoplanètes. Des frontières disparaissent. De nouvelles perspectives émergent. Le rêve devient petit à petit réalité.

L’avenir de l’homme se jouera dans l’espace, ou ne se jouera pas.
J’en suis convaincu.