Les propulseurs à plasma
Une technologie d’avant-garde.
Il s’agit de mon dernier article destiné à un large public et qui vient de paraître dans le n° 24 des Reflets de la Physique, la revue de la Société Française de Physique.
L’article est divisée en plusieurs parties : historique, intérêt et limite de la propulsion à plasma, principes des base d’un propulseur à effet Hall, avancées récentes et défis à relever pour les missions du futur. Le lecteur intéressé devrait ainsi y trouver de nombreuses réponses aux questions qu’il est en droit de se poser sur ce moyen de propulsion spatiale encore peu connu, malgré les films de la saga Star War. Et si une seule chose doit être retenue, c’est la suivante : à l’horizon de plusieurs décennies, seule la propulsion à plasma pourrait un jour nous ouvrir les portes du système solaire et rendre réaliste l’exploitation de ses ressources si nombreuses.
Bonne lecture.
Et tous les commentaires sont évidemment les bien venus.
OK Stéphane, j’ai lu ton texte avec beaucoup d’attention (il m’en faut pour essayer de comprendre !), et ceci me semble très intéressant et extrêmement prometteur même si complexe…
je trouve très intéressant cette idée de mêler une méthode particulaire “microscopique” avec des considérations macroscopiques, afin de finir par aboutir sur un modèle hybride permettant de retrouver les résultats expérimentaux… C’est d’ailleurs souvent là que se trouve la difficulté, dans ton domaine comme dans celui des sciences de la vie : comprendre comment les mécanismes microscopiques vont pouvoir affecter ceux plus macroscopiques…
Je t’ai laissé quand même une petite question sur mon blog car mon côté chimiste s’interroge un peu…
Comme tu me l’as suggéré au téléphone hier soir, j’aurais sans doute du écrire ” pour un public légèrement averti ” !
Les méthodes numériques hybrides fluide/cinétique sont certes des outils puissants. Mais dans le cas d’un plasma à faible pression (typiquement 0,1 Pa dans un moteur), de nombreux phénomènes leur échappent car le milieu est en fort déséquilibre thermodynamique. La meilleure approche est une modélisation entièrement particulaire (à la rigueur une résolution de l’équation de Boltzmann - ou ses dérivées - mais c’est mathématiquement très complexe).
Question pertinente posée sur ton blog au sujet du choix de l’ergol. Je vais y répondre en fin de journée, après quelques heures de manipulations à essayer d’observer les oscillations du champ électrique.
Question posée par Johann
Pourquoi le Xénon alors que le Césium par exemple doit avoir une énergie d’ionisation bien bien plus faible pour un poids similaire ? Est-il nécessaire d’utiliser un gaz (n’existe-t-il pas des “plasmas de matière” ?) et si oui, pourquoi ?
Ma réponse
La question que tu poses Johann est très pertinente. Tu as mis le doigt sur l’un des points clef de la propulsion à plasma : le choix de l’ergol.
Ce dernier doit posséder 2 propriétés principales :
- une énergie d’ionisation faible pour assurer une production d’ions positifs élevée et un bon rendement,
- une grande masse car la poussée est bien sûr liée à la quantité de mouvement des particules accélérées dans le champ électrique (la force de pesanteur est négligeable dans notre cas).
Regardons de plus près le tableau de la classification périodique des éléments. Il faut effectivement des ” gros atomes ” car comme tu l’écris l’énergie de liaison des électrons de valence est plus faible à cause du phénomène d’écran imposé par les électrons du coeur.
Le Cs est un bon candidat (Ei=3,9 eV) mais il pose des problèmes de manipulation car il est liquide à température ambiante, or un plasma ne se forme qu’à partir d’un gaz. Le Hg a été testé mais il est toxique. Du côté des métaux solides, le Bi est un candidat sérieux. Des travaux, aujourd’hui arrêtés, avaient été conduits dans l’ex-URSS et plus récemment aux USA. Le problème c’est qu’il faut un système complexe pour le vaporiser et l’injecter dans un propulseur sous forme gazeuse.
Que reste-t-il ? Et bien les gaz rare. On oublie Rn qui est radioactif (quoi que dans l’espace cela ne soit pas un problème). Donc on tombe sur le Xe ou Kr. On privilégie aujourd’hui Xe car il est plus lourd et son Ei (= 12.3 eV) est plus faible que celle de Kr.
Il y a cependant d’autres options. On peut par exemple utiliser des molécules dont la masse peut être très grande. On perd cependant de l’énergie dans les processus de dissociation et d’excitation rovibrationnelle. Mais cette option commence a être envisagée car on peut parfois sacrifier quelques points de rendement si on gagne en poussée, en coût, en facilité de stockage de l’ergol ou en durée de vie. En fait j’y travaille, mais pour le moment… chut !
Certains systèmes utilisent des colloïdes dont les particules sont accélérées dans des champs très intenses. Ces ergols sont réservés au domaine de la micro-propulsion car leur mise en oeuvre pour des propulseurs à forte poussée n’est pas intéressante.
Voilà. J’espère avoir répondu à ta question.
Parfait, Stéphane… Je comprends mieux… Interprétation stupide de ma part quant à la pesanteur qui est bien évidemment négligeable en comparaison de l’accélération liée au champ électrique…
Mais ta réponse me convient parfaitement : je comprends mieux le choix du xenon comme ergol…
Content aussi d’avoir mis le doigt sur un sujet sur lequel tu travailles mais dont tu ne peux pas encore parler : cela me montre que ma question n’était pas totalement stupide, ou en tout cas la réponse pas totalement triviale (puisqu’il n’existe jamais de question stupide !)…
Le Cs serait le meilleur gaz pour le propulseur mais peut etre pas pour la cathode, ce qui voudrait dire avoir 2 lignes de gaz differentes: une pour le propulseur et une autre pour la cathode.
apres que le gaz soit a l’etat liquide ou solide dans l’espace je dirais on s’en fout puisque la ligne de gaz doit etre chauffee pendant un certain avant de faire tourner le propulseur et oui dans l’espace il fait pas chaud quand on est pas eclaire par le soleil dans l’orbite geostationnaire.
L’autre argument contre le Cs est que au sol personne n’aime travailler avec un gaz toxique et qui s’enflamme pour un rien.
D’autres arguements comme l’interaction plasma-parois peut aussi intervenir on sait que certain gaz reagissent mieux avec le canal du propulseur.
D’ailleur une molecule ionisee, meme en perdant de l’energie dans l’excitation, la vibration et la rotation, peut aussi creer des depots due a certaines reactions chimiques sur la paroi et changer les propietes des parois.
Ceci ne serait pas forcement visible tout de suite mais pourait intervenir apres un certain nombre d’heures d’utilisation (principalement dans la zone d’ionization, la zone d’acceleration due a l’energie des ions qui erodent les parois nettoieraient celles-ci jusqu’a ce que la forme des ceramiques est prise sa forme finale).
Pour les molecules faire attention aux ions negatifs qui font chuter le rendement et peuvent endommager l’anode.
Au sol, on peut tres bien demontrer de meilleures performances sur les 100 premieres heures et voir tout s’effondrer plus tard… et le propulseur doit fonctionner entre 5 et 10 ans sur le satellite
Rien n’est simple dans cette decharge…
Salut Luc ! J’espère que tout va bien pour la petite famille en Californie et que la vie y est toujours aussi agréable.
Tes remarques sont tout à fait pertinentes. Je n’avais cependant pas voulu entrer dans de tels détails.
Il faut naturellement que le gaz soit adapté à la cathode. Dans le cas contraire il faut prévoir un deuxième circuit de stockage et d’alimentation ce qui complexifie grandement le système et augmente la probabilité de panne.
Dans le cas d’un gaz moléculaire, il faut effectivement limiter les réactions chimiques entre les fragments et les ions moléculaires et le matériau diélectrique du canal au sein duquel le plasma est confiné, de manière à minimiser l’érosion d’une part et éviter l’apparition d’instabilités qui peuvent être dramatiques pour les performances et la durée de vie. C’est aussi l’une des raisons qui donne un avantage aux gaz rares qui sont très peu réactifs. Comme tu le fais remarquer, on peut avoir un changement de comportement brutal à long terme une fois les parois suffisamment biseautées pour que le flux ionique n’assure plus un nettoyage efficace.
La formation d’ions négatifs est très peu probable dans les conditions d’un moteur ou la température électronique est très élevée. Donc pas trop de risque de ce côté-là, même au voisinage de la cathode.
Finalement, à nous lire on se dit que le couple BN-SiO2 / Xenon a encore de belles années devant lui !
c’est en tout cas un débat que je trouve passionnant, du point de vue du chimiste que j’ai été, et que j’aime à essayer d’être encore quelquefois…
C’est aussi extrêmement intéressant de voir comme certaines problématiques sont immuables… Des choses de type “interaction contenu / contenant”, les notions de rendement à court / moyen / long terme, etc sont présentes dans nos vies quotidiennes dans des dizaines de secteurs d’activité, même si monsieur ou madame Michu ne s’en rendent pas compte d’emblée…
@Luc : tu es dans quel coin en Californie ?