Miniaturisation en PE

ISCT100

Propulseur de Hall miniature ISCT100 opérant sous vide avec du xénon à 100 W.

Cheurs lecteurs, vous trouverez sur le site de Futura Sciences un article au sujet de la propulsion électrique écrit par Remy Decourt : Une propulsion électrique pour les satellites. (1) . Cet article est le fruit d’une interview que j’ai accordée au journaliste et qui a été suivie de plusieurs échanges. J’avais déjà eu l’occasion de travailler avec Rémy Decourt à deux reprises avant la parution de ce nouvel article de presse.

Cette fois-ci, le thème couvert est la micropropulsion pour les satellites, en particulier pour les nano-satellites, catégorie dans laquelle rentrent les CubeSats. Par définition, un nano-satellite a une masse comprise entre 1 kg et 10 kg. Les micro-satellites ont quant à eux une masse allant de 10 kg à 200 kg. Au-delà de 200 kg, on parle de mini-satellites puis de (gros) satellites. Sous la barre du kg, il est question de pico-satellites. Notez que les limites données ne sont pas strictes

Le nombre de nano- et micro-satellites est en pleine expansion avec des projets et objectifs variés. En particulier on voit se répandre aujourd’hui deux grandes idées : i) remplacer les satellites standards, notamment dans le domaine des télécommunications (e.g. le projet One Web), par des constellations de petits satellites et ii) lancer une exploration à grande échelle du système solaire en multipliant le nombre de sondes interplanétaires miniatures. La généralisation des nano- et micro-satellites devrait être à l’origine d’une véritable révolution dans le domaine de l’aérospatial. L’accès à l’espace va d’abord être facilité grâce à une baisse importante des coûts. La miniaturisation va de plus augmenter la flexibilité, permettre des scénarii des missions variés, maintenir un niveau de technologie élevé via un taux de remplacement élevé et diminuer les risques d’échec grâce à la redondance.

Cependant, afin d’assurer des missions complexes et longues, il devient nécessaire d’équiper les nano- et micro-satellites de systèmes propulsifs adaptés autorisant des manœuvres telles que les transferts d’orbites, la correction de trajectoire et la désorbitation en fin de vie. L’unité de base pour les nanosatellites, donc pour les CubeSats, est le « U » qui correspond à un cube de 10×10×10 cm3, soit 1 litre. Le volume et la masse étant très limités, la propulsion chimique n’est pas adaptée. Les propulseurs à gaz froids peuvent être employés mais cette solution n’est pas optimale. En conséquence, il est nécessaire d’équiper les nano- et micro-satellites de propulseurs électriques qui permettent grâce à une vitesse d’éjection de la masse d’appui élevée de réduire de façon significative la masse de carburant à embarquer.
Il y a deux stratégies et voies de recherches sur lesquelles travaillent plusieurs laboratoires, instituts et entreprises dans le monde pour répondre à ce besoin :
1) Développer de nouveaux concepts et ou faire évoluer des technologies existantes, par exemple les propulseurs à effet de champ (FEEP), les propulseurs à arc sous vide (VAT) et les propulseurs sans cathode (Helicon, ECR, moteur ionique RF),
2) Miniaturiser les technologies couramment embarquées sur les satellites de télécommunication, les satellites d’observations et les sondes scientifiques et ayant fait leurs preuves : il s’agit en particulier des propulseurs de Hall, des moteurs ioniques à grilles et des résistojets. Aux contraintes de masse et de taille, vient s’ajouter un problème de puissance disponible à bord. Sachant que le rayonnement solaire génère une puissance moyenne de 1350 W/m2 dans la haute atmosphère terrestre, un CubeSat 1U équipé de panneaux solaires produit donc environ 3 W lorsqu’il est éclairé sur une face. On doit de plus prendre en considération des contraintes thermiques et mécaniques. Le développement d’un système propulsif pour nano- et micro-satellites est donc extrêmement complexe.

L’article de Futura-Sciences traite de la micropropulsion et plus spécifiquement de la miniaturisation des propulseurs de Hall, un thème de recherche sur lequel mon équipe planche depuis plusieurs mois. L’article aborde aussi le concept de propulseur sans parois qui offre l’avantage d’être simple et compact et qui fonctionne à puissance continue (DC) ce qui ouvre la voie au mode direct drive, c’est à dire à une connexion directe entre les panneaux solaires et le propulseurs.
L’article mentionne aussi les défis scientifiques et technologiques liés aux neutraliseurs (sources d’électrons permettant la neutralisation du faisceau d’ions) et aux nouveaux carburants qui devront se stocker sous forme liquide ou solide.

(1) Je vous invite aussi à lire cet autre article de Rémy Decourt : Les satellites électriques, une solution d’avenir, sur le site Futura-Sciences.

Favicon

Le symbol Aleph-Zéro

Je viens – enfin – d’ajouter un Favicon à mot blog. Il s’agit d’une image qui caractérise un site et permet de l’identifier. J’ai naturellement choisi le symbol Aleph Zéro, qui est aussi le nom du site.

Aleph est la première lettre de l’alphabet hébreu et de l’alphabet arabe.
En mathématique, les alephs sont les cardinaux (taille ou nombre d’éléments) des ensembles infinis ordonnés. Aleph-zéro (ℵ0) est par définition le cardinal de l’ensemble des entiers naturels. Il s’agit du plus petit des nombres alephs. Les alephs font partie des nombres transfinis introduit par Georg Cantor. La théorie des ensembles définit une arithmétique des alephs ce qui peut surprendre puisqu’il s’agit d’effectuer des opérations avec des nombres infiniment grands. A bien des égards cette arithmétique diffère totalement de celle liée aux nombres naturels dont nous avons l’habitude. Pensez par exemple à l’équation ℵ0 × n = ℵ0, où n est un nombre naturel non nul. Cette équation se généralise à tous les alephs.

Pourquoi ai-je choisi d’intituler mon blog Aleph-Zéro ?
Parce que ces nombres me fascinent depuis que je les ai découverts en classe de terminale. Notre professeur de mathématiques nous en avait parlé alors que nous travaillions sur les cardinaux en théorie des probabilités. J’ai ensuite lu plusieurs ouvrage qui abordaient le sujet. Ces nombres et les opérations qui leurs sont associées représentent une magnifique construction intellectuelle. Les alephs symbolisent à mes yeux l’inouïe capacité de notre cerveau et le haut degré d’abstraction que notre civilisation peut atteindre. Ces nombres révèlent aussi la beauté des mathématiques.

Raz de marée

On a tout écrit, tout dit depuis dimanche soir. Ce n’est pas la peine d’épiloguer. En résumé, c’est un raz de marée. J’applaudis. E. M. devrait obtenir une très large majorité à l’Assemblée Nationale dimanche prochain. La République En Marche va ainsi pouvoir mettre en action sa politique, sa vision. J’aurais attendu plus de vingt-cinq ans pour voir les idées et les valeurs que je défends mises en œuvre.  Combien de fois ai-je entendu « Le Centre, ça ne peut pas marcher, c’est Gauche ou Droite (comprenez socialiste versus capitaliste) » ? J’ai arrêté de compter depuis bien longtemps. Soyons enfin lucides, les clivages stériles ne mènent nul part. Il suffit de regarder l’état de la France, et plus globalement celui du monde actuel. Il est grand temps de tourner la page, de rejoindre la modernité et de préparer l’avenir.

Le PS semble définitivement mort cette fois. Il faut vivre avec son temps, s’adapter à son époque. Le modèle proposé n’est simplement plus viable. LR sont à l’agonie. Et mauvais perdants pour beaucoup d’entre eux. Les extrêmes moribonds, je ne m’en plains pas.

Ces dernières élections révèlent un profond besoin de changement. Une nouvelle génération va prendre les commandes. La mienne. Elle ne rejète pas la mondialisation, elle est ancrée dans l’ère du digital, consciente des bouleversements et défis à venir (énergie, environnement, climat, numérique) et profondément humaniste. Elle a compris depuis longtemps que l’humanité doit changer de cap. Une France portée par ce vent nouveau a tout à gagner . L’Europe aussi.

En aparté. Que penser du très fort niveau d’abstention ? Les Français vivent dans le confort mais ils ne s’en aperçoivent pas. Ils ont oublié d’où ils viennent et les combats menés par leurs aïeuls et leurs ancêtres. Ils ne voient pas non plus les risques encourus. C’est triste, décevant. Les français sont en majorité resté chez eux, mais une chose est certaine, ils vont continuer à se plaindre et à critiquer.

L’Amérique de Trump se désengage

Donald Trump a finalement choisi de faire sortir les Etats-Unis d’Amérique des Accords de Paris sur le climat signés il y a un an. On pouvait s’y attendre. Cet homme suit une logique implacable qu’il avait clairement annoncée au cours de la campagne présidentielle. Il veut détruire tout ce que Barack Obama, son prédécesseur à la Maison Blanche, et les démocrates avaient construit et mis en place, pour soi-disant rendre à l’Amérique sa grandeur et son autonomie. Alors que le 44ème Président avait lutté pour réduire les inégalités au sein du peuple américain, le 45ème va creuser les écarts et rendre ainsi les pauvres encore plus pauvres et les riches encore plus riches et puissants.

En optant pour le retrait, Donald Trump isole encore d’avantage son pays sur la scène internationale et irrite une fois de plus de nombreux chefs d’état. Heureusement, plusieurs villes, dont Pittsburgh, et entreprises et sans doute plusieurs états iront à l’encontre de la décision du Président, préférant regarder vers l’avenir et protéger la planète. Le message envoyé à Trump par l’ex gouverneur de la Californie, Arnold Schwarzenegger, est un bel exemple de résistance et de réalisme.

Les choix de Donald Trump sont à mes yeux une aubaine pour l’Europe, la Chine et d’autres pays. DT a décidé de saborder le navire Amérique, profitons de ce choix stupide. Pour l’Europe c’est une chance, surtout avec un axe Paris-Berlin renforcé, l’Angleterre qui se décide enfin, l’Espagne et l’Italie sur la bonne voie et des petits pays dynamiques. Il est temps de se libérer de la trop forte influence américaine, de prendre en main notre destin politique et économique et de proposer aux autres une vision différente plus égalitaire, moins brutale, plus respectueuse de l’homme et de son environnement.

Eutelsat 172B

Paire de propulseurs de Hall de 5 kW installés sur le bras robotisé du satellite Eutelsat 172B d’Airbus (crédit: Airbus). On aperçoit également les 2 cathodes externes.

Le lanceur Ariane V a lancé cette nuit avec succès (mission VA 237) le satellite de télécommunication Eutelsat 172B qui va rejoindre l’orbite géostationnaire grâce à la propulsion électrique.
Le satellite est basé sur la plateforme Eurostar E3000 d’Airbus en version tout électrique qui est équipée de 5 propulseurs de Hall de 5 kW. Quatre propulseurs sont installés par paires (un principal et un de réserve, qui fonctionneront sans doute alternativement) sur deux bras robotiques déployables alors que le cinquième est fixé sur la structure. Les propulseurs vont assurer le transfert d’orbite mais aussi les manouvres de maintien à poste tout au long de la vie du satellite. On distingue clairement sur la photographie ci-dessus 2 propulseurs de Hall de 5 kW installés sur un des bras du satellite.

L’utilisation de la propulsion électrique permet de diviser drastiquement la quantité de carburant à embarquer. Deux options s’offrent alors à l’opérateur : garder la masse constante mais remplacer la masse d’ergol par de la charge utile ou alors réduire la masse du satellite pour diminuer le coût du lancement. Cette dernière option a été retenue pour Eutelsat 172B dont la masse est de 3,5 tonnes, contre 6 tonnes pour un satellite équivalent propulsé par des moteurs chimiques.

Airbus n’est pas le premier fabricant de satellites à passer au « tout électrique ». Le constructeur américain Boeing a déjà fait voler deux satellites électriques il y a deux ans (voir mon article du 17 octobre 2015) basés sur sa plateforme 702SP. Néanmoins, les satellites de Boeing sont équipés de moteurs ioniques à grilles et non de propulseurs de Hall. Si ils permettent, grâce à une vitesse d’éjection des ions plus élevée, d’économiser une masse de carburant plus importante, le temps nécessaire au transfert d’orbite est plus long car le niveau de poussée d’un MIG et nettement plus faible que celui d’un PH. Eutelsat 172B mettra 4 mois pour rejoindre son orbite de travail alors que les satellites de Boeing ont mis 6 et 7 mois.

Nous sommes définitivement entrés dans l’ère des satellites « tout électrique ». On estime aujourd’hui que les satellites à propulsion électrique représenteront 50% du marché des satellites de télécommunication à l’horizon 2020. Je reste convaincu qu’au cours de la prochaine décennie, la propulsion électrique équipera une grande partie des satellites d’observation, les constellations de petits satellites de télécommunication ainsi que les micro-satellites et les CubeSats. On devrait assister à la miniaturisation des systèmes propulsifs (par exemple des MIG et PH miniatures) et à l’émergence de nouvelles technologies telles que les FEEPs (propulseurs à effet de champ) et les VATs (propulseurs à arc sous vide).

 

Changement de cap

Emmanuel Macron prend ses fonctions de Président aujourd’hui, après une victoire nette dimanche dernier. J’y croyais, bien sûr, mais je suis resté anxieux jusqu’à la dernière minute.
Il s’agit d’un tournant pour la France, d’un véritable changement de cap que s’apprête à prendre le pays, à un moment où le triomphe du populisme et du nationalisme semblait incoercible. La France restera éternellement surprenante.
Nous venons non seulement d’élire le plus jeune Président de la Vème république (39 ans), mais nous avons aussi choisi un chef qui regarde résolument vers le futur et non le passé. C’est une chance pour mon pays d’avoir un Président conscient du monde qui nous entoure et de ses mutations rapides et prêt à mettre en place les réformes qui pourraient replacer la France dans le peloton de tête. Nous avons décroché dans de nombreux secteurs depuis un quart de siècle – mon métier de physicien me donne un point d’observation privilégié et je dois avouer que le déclin s’accélère – faute d’avoir su s’adapter aux changements et coupable de regarder sans cesse dans le rétroviseur. Pour moi, c’est maintenant ou plus jamais ; dans une décennie l’écart avec les pays les plus dynamiques ne pourra plus être comblé (dans son dernier ouvrage, J. Attali fixe le point de non retour à 2025).

L’élection d’E. Macron est aussi une chance pour l’Europe, à l’heure du Brexit. Oui, nous sommes plus fort tous ensemble. Oui, nous avons les moyens d’imposer au monde notre point de vue en ce qui concerne la protection des individus, l’écologie, la réglementation de l’économie et de la finance. Mais il faut en avoir envie et s’en donner les moyens. Je crois en un nouvel élan avec la formation d’un couple franco-allemand fort sur lequel pourront s’appuyer les autres pays. Nous devons prouver, en particulier à D. Trump et à V. Poutine, que l’Europe n’est pas à la veille d’exploser – leur rêve – mais de renaître, plus unie, plus forte.

Enfin, l’élection d’E.M. c’est le triomphe d’un modèle que je défends depuis plus de dix ans, depuis mon adhésion à l’UDF en 2006 : dépassement du clivage gauche / droite (périmé à l’heure de la globalisation et de la digitalisation), rapprochement de la société civile avec le monde politique, association du domaine publique avec le domaine privé, ouverture vers le reste du monde, acceptation de la mondialisation.

Il ne reste plus qu’une seule étape à franchir pour véritablement passer à autre chose et rattraper le temps perdu. Et cette étape n’est pas la moindre : il faut à E.M. une majorité parlementaire, absolue si possible, pour mettre en oeuvre sa vision. Dans cinq semaines les français décideront. Vont-ils oser aller jusqu’au bout ? Je l’espère.

E. M. n’est pas l’ennemi

Ravi bien sûr qu’E. Macron ait fini à la première place dimanche dernier. Mais rien n’est encore fait, loin de là. La victoire du candidat centriste n’est pas certaine, il le sait, je le sais. Nous ne sommes plus en 2002. La France a bien changé au cours des quinze dernières années, hélas dans le mauvais sens. Je suis attristé et désespéré par ce que je lis dans les journaux et sur Internet, par ce que j’entends autour de moi.

Je ne comprends pas que l’on puisse voter blanc, voire s’abstenir lorsqu’un parti d’extrême droite peut potentiellement accéder à la Présidence de la république française dans neuf jours. Comment peut-on en arriver à penser qu’E. M. est un ennemi ? Que de bêtises. Que d’absence de réflexion aussi. Un adversaire politique pour certains oui, mais les ennemis restent M. Lepen, ses proches et sa clique de cadres tous plus détestables et malhonnêtes les uns que les autres.
Ceux qui ne s’engageront pas le 7 mai prochain ont-ils une seconde réfléchi à ce que serait la France gouvernée par un parti aussi nauséabond aux idées moyenâgeuses ? Même si le FN n’obtenait pas la majorité à l’Assemblée Nationale, quid de la liberté d’expression, de la laïcité, de l’Europe, de notre rayonnement, de la paix ?
Qu’y a-t-il de si effrayant chez E. M. et dans son programme ? J’entends et je lis souvent les mots « capital », « libéral », « pro-Bruxelles ». Ce n’est pas avec de la dette et des nationalisations que l’on produit de la richesse et que l’on assure le bien être et l’avenir des générations. Ce n’est pas en se repliant que l’on se renforce – d’autant plus dans un pays qui n’a ni ressources naturelles, ni une industrie forte – et que l’on peut lutter contre les ambitions américaines, chinoises ou russes et assurer la paix et la stabilité. Quant à ceux qui traitent E. M. de libéral ou d’ultralibéral, ils devraient se renseigner et examiner précisément ce qu’il en est de l’autre côté de l’Atlantique. Il en est très loin, comme tous les libéraux français d’ailleurs.

Où sont les militants de gauche et d’extrême gauche, les étudiants, les chômeurs, les retraités avec leurs petits enfants ? J’aurais aimé les voir dans la rue protester, scander que le pire n’arrivera pas. Mais rien. Même Jean-Luc Mélenchon qui s’opposait si farouchement et si fièrement au FN il y a quelques années reste retranché et silencieux. Un grand mystère. Les Français ont baissé les bras. Cela ne laisse rien présager de bon pour les années à venir.
Quant à moi, je reste désemparé.

Jour J

Je suis rentré de Suisse hier. Quelques jours à l’EPF de Lausanne. Je n’avais pas mis le pied sur le campus depuis 7 ans. De nouveaux bâtiments ont surgis mais le campus reste toujours aussi agréable avec une vue sur le lac Léman et les montagnes enneigées. J’ai été impressionné par les expériences et les équipements de la division Plasma. Et cette fois-ci j’ai pu voir le Tokamak TCV et les installations qui le complètent, dont un injecteur de neutres pour le chauffage de la décharge et la génération de courant. Là, je suis dans le train en partance pour l’ESA aux Pays-Bas où je vais séjourner toute la semaine.
Pas vraiment le temps de souffler. Mais j’ai voté. En fin de matinée. Impossible de ne pas participer. C’est mon fils qui a glissé l’enveloppe dans l’urne, fiers de son geste. Aucune surprise à attendre de mon côté. Je soutiens E. Macron et son programme depuis des mois. C’est le seul candidat que je sens capable de bousculer les choses et les codes, de remettre mon pays sur les rails, de dynamiser et revitaliser une Europe mourante.

Au cours des derniers mois j’ai pu discuter des élections présidentielles françaises avec de nombreux collègues étrangers. On est tous plus ou moins d’accord. Non pas sur le meilleur candidat pour le poste, quoique, mais sur le niveau lamentable de la campagne au cours de laquelle de multiples sujets d’importance sont restés non traités à leur juste valeur (recherche, défense, Europe, TI et IA, changements climatiques, diplomatie internationale, écologie…), sur l’absurdité d’avoir onze candidats dans un pays réellement démocratique, sur la possibilité que deux candidats extrémistes accèdent au pouvoir, en concédant néanmoins que l’arrivée du FN serait une catastrophe bien pire.
Une chose m’a frappée durant ces discussions, souvent passionnées. La peur partagée par tous, et une certaine tristesse, pour ne pas dire un certain désespoir, d’être tombé si bas. J’en suis arrivé à la conclusion que beaucoup de gens ne réalisent ni ce qui ce joue aujourd’hui, ni la portée de leur geste. Le sort de la France, bien sûr, mais aussi celui de l’Union Européenne. Et par effet ricochet, probablement celui de la planète et de notre civilisation. Je ne pense pas exagérer. Après le Brexit, le sabotage et le grignotage opérés par la Russie, l’élection de D. Trump, l’arrivée au pouvoir de nationalistes dans plusieurs pays et la globalisation du terrorisme islamiste, c’est à un basculement, que dis-je, à un naufrage qu’il faut peut-être se préparer.

Dans quelques heures, nous serons en partie fixés. Va-t-on éviter le pire des scénarii, à savoir un deuxième tour qui verrait s’affronter F. Fillon et M. Lepen ? Pourquoi le pire me direz-vous ? Parce que tout le monde ne réagira pas comme moi si une telle situation se produisait. J’irais voter, le cœur lourd, résigné, mais pour mon pays et mon fils je soutiendrais F. Fillon. Pas d’autre choix possible à mes yeux. Mais que feront les autres, en particulier les sympathisants et électeurs de la gauche et de l’extrême gauche ? Seront-ils courageux ? Je le souhaite mais rien n’est moins sur. Alors « le pire » car ce scénario reste pour moi celui qui pourrait voir l’extrême droite, celle qu’a combattu mon grand-père maternel, celle qui nous conduira à l’obscurantisme, prendre le contrôle du pays des Lumières et des Droits de l’Homme. La chute. Terrible chute.
Alors j’attends.

La méthode scientifique

J’étais l’un des invités hier après-midi de l’émission La Méthode scientifique de France Culture animée par Nicolas Martin. Le sujet du jour : Voyage spatial, vers l’infini et au-delà. Vous pouvez ré-écouter l’émission ici.

Un très bon moment (trop court à mon goût) passé en compagnie de Richard Heidmann, Polytechnicien, ancien ingénieur en propulsion spatiale chez SAFRAN, fondateur et vice-président de l’association Planète Mars. J’espère que les auditeurs auront apprécié et appris.

Signé Space X

La société américaine Space X vient de réussir la mise en orbite géostationnaire du satellite de télécommunication SES-10 de 5,3 tonnes à l’aide d’un lanceur Falcon 9 dont le premier étage avait déjà volé il y an un an. Nous venons d’entrée dans l’ère des lanceurs réutilisables. Une révolution s’annonce car le coût des vols orbitaux pourrait chuter drastiquement.

Certains diront que c’est du « déjà vu ». Mais il n’en est rien. Certes, la navette spatiale était réutilisée (seul le réservoir central n’était pas récupéré), mais à quel prix. Les spécialistes avancent souvent le chiffre de 500 millions de dollars par mission. Car de très nombreux éléments de la navette devaient être remplacés et la remise à niveau et les vérifications étaient longues et occupaient des centaines d’ingénieurs et techniciens. Or pour être rentable et effective, la stratégie de réutilisation doit minimiser la durée de remise en service et limiter le remplacement des composants.
Il y a bien sûr Blue Origin, l’entreprise de Jeff Bezos, connu pour être le fondateur et PDG d’Amazon, qui a déjà ré-utilisé son véhicule à plusieurs reprises, mais il s’agit ici de vols suborbitaux, avec des contraintes bien inférieures à celles que subit Falcon 9.

En seulement 15 ans, Space X aura révolutionné l’astronautique en bousculant les codes établis et surtout en prenant des risques à la fois technologiques et financiers. Mais c’est de cette façon que l’on progresse et que l’on devient un leader qui impose sa vision du domaine et indique la route à suivre. Et ce n’est sans doute pas fini.
On devrait prochainement assister au premier vol du lanceur Falcon Heavy capable de placer 22 tonnes en orbite géostationnaire. Et dans un futur proche, Space X ambitionne d’envoyer des touristes autour de la Lune et de faire atterrir sur la planète Mars une version modifiée de son vaisseau Dragon, le Red Dragon. Et pendant ce temps là, l’Europe, via ASL, prépare Ariane 6. Je vois là le reflet d’une ambition modeste, alors que nous avons la connaissance et les moyens financiers, et surtout, l’interdiction de rêver et de faire rêver. La Vieille Europe disent-ils de l’autre côté de l’Atlantique…