Archives de l’auteur : Stéphane Mazouffre

Physicien des plasmas - Spécialiste en propulsion spatiale Directeur de Recherche au CNRS Responsable de l'équipe Propulsion Electrique au laboratoire ICARE à Orléans

ISCT200-Neo

Propulseur de Hall ISCT200-Neo en tir à 250 V avec du xénon.

Mon équipe vient de terminer le développement du propulseur à courant de Hall (1) ISCT200-Neo. Je suis fiers du travail accompli en seulement quelques mois. Je tiens ici à remercier sincèrement tous les membres de EP_team et à les féliciter, en particulier Théo Lejosne qui a supervisé ce projet.

Il s’agit de la nouvelle version de l’ISCT200, un propulseur de classe 200 W. L’architecture de base et la géométrie restent celles de la série ISCT200 . La chambre est en nitrure de bore et le champ magnétique est produit à l’aide d’aimants permanents. Les améliorations concernent les aspects thermique et mécanique. En outre l’anode, qui joue aussi le rôle d’injecteur de gaz, a été réalisée en impression 3D. Nous avons ainsi poursuivi l’étude sur l’I3D conduite dans le cadre de la thèse de Lou Grimaud sur les propulseurs de Hall à écrantage magnétique.

La photographie ci-dessus montre le propulseur ISCT200-Neo en tir avec du xénon dans la chambre à vide EPIC. Le propulseur opère à 250 V de tension de décharge avec une pression résiduelle de 10-4 mbar-Xe.

(1) Les désignations « propulseur de Hall » ou « propulseur à effet Hall », qui sont le plus souvent utilisées, sont en réalité incorrectes. L’appellation « à courant de Hall » est une description juste du principe de fonctionnement qui fait référence au courant électronique dans la direction azimutale créé par la dérive en champs électrique et magnétique croisés.

Ejection de matière

Le trou noir MAXI J1820+070 éjectant une goutte géante de plasma – Première observation réalisée en novembre 2018.

L’image ci-dessus révèle un jet de matière relativiste produit par le trou noir MAXI J1820+070. Elle a été obtenue par une équipe Internationale à partir d’imagerie spatiale dans le domaine radio et dans le domaine des rayons X. Quelle belle et grande découverte qui fait suite à la première photographie d’un trou noir de la galaxie Messier 87 publiée en avril 2019. Comment ne pas être fasciné et ému par la beauté et la magie de notre Univers. Par sa complexité aussi.

C’est ce genre d’images et d’observations qui m’ont fait aimer la Science et la Physique en particulier. Jeune je me régalais des articles du magazine Science & Vie puis de La Recherche en rêvant de marcher sur les traces de ces hommes et de ces femmes qui nous faisaient avancer sur le long chemin de la connaissance. J’ai en grande partie réalisé mon souhait.

Les chiffres issus de l’étude de MAXI J1820+070 sont vertigineux : une vitesse d’éjection atteignant 80 % de la vitesse de la lumière, une énergie interne de l’ordre de 6×1052 eV et une quantité de matière estimée à 2×1017 kg. Face à cette démesure il nous faut rester humble. Nous ne représentons pas grand chose pour ne pas dire rien. Un souffle de trou noir et nous disparaissons instantanément sans laisser de traces.

Les lecteurs désireux d’en apprendre d’avantage peuvent lire la pré-étude déposée sur arXiv et l’article publié dans The Astrophysical Journal Letters.

Clap de fin pour l’A380

La compagnie aérienne Air France a décidé de ne plus faire voler sa flotte d’A380. La pandémie du coronavirus aura finalement accéléré la mise au hangar du géant des airs chez la compagnie nationale française qui avait initialement prévu un retrait complet de ses neuf avions pour la fin de l’année 2022.

De son côté Airbus avait déjà annoncé la fin de la production de son fleuron pour l’année prochaine. Seule la maintenance des appareils existants sera maintenue pour plusieurs années jusqu’à un retrait définitif que l’on imagine pour les années 2030.

Trop encombrant. Trop coûteux. Trop polluant. Trop long à charger et décharger. Peu rentable. Mal adapté aux besoins actuels…
Mais aussi beau, spacieux, confortable, silencieux, rassurant…
Je comprends l’impératif économique mais je regrette la décision. Quel bel avion. J’ai eu la chance de voler trois fois dans un A380 (d’Air France) sur des vols Paris – New York et Paris – Los Angeles, dont deux fois en classe affaire. Que de beaux souvenirs, de moments agréables à dix kilomètres d’altitude. Il est peu probable que je vole un jour à nouveau dans un A380 car les destinations desservies au départ de Paris ne sont pas celles qui m’attirent.
Dans quelques années j’expliquerai à mon fils la singularité des voyages en A380. Je lui dirai aussi comment la chute de ce monstre des airs était un signe de la décadence de la France et de l’Europe.

Lectures confinées

Le déconfinement débute.
Nous venons de traverser un drôle de moment, aussi fort qu’inattendu. Je ne me plains pas, j’ai bien vécu ce confinement forcé. La maison est grande et possède un jardin, mon fils était à mes côtés, le soleil était présent. J’ai pu profiter de ce temps paisible pour échanger, exercer mon métier de physicien, penser et lire.

Le monde d’après ?
Il sera certainement différent du monde d’avant car le choc fut violent et exogène. Le confinement a seulement duré deux mois mais il a révélé nos faiblesses. Nous étions perdu, désorienté, apeuré alors que nous n’avons manqué de rien dans nos riches sociétés et que nos libertés ne furent que peu entravée. Nous étions loin, très loin, d’un état de guerre ou de grande catastrophe. Je nous trouve finalement fragiles, dégonflés et totalement dépendants de technologies que nous ne maîtrisons pas. L’épidémie de coronavirus a accéléré des processus en cours tels que la numérisation de la vie et le repli sur soi, ce qui me laisse croire que demain pourrait être moins paisible, moins juste, moins libre et moins joyeux qu’hier.

Mais l’on peut tout de même être optimiste et garder confiance dans l’Homme et son futur. Cette crise unique et globale, en révélant les failles de nos systèmes, nous offre ainsi la formidable opportunité de réinventer et réenchanter le monde. Il faudra juste savoir négocier le virage pour que demain soit plus paisible, plus juste, plus libre et plus joyeux qu’hier.

Comme je l’écrivais j’ai profité de cette parenthèse imprévue pour lire plusieurs ouvrages aux profils variés en plus d’une grande quantité d’articles scientifiques. En voici la liste dans le désordre.

  • Les jeux de Némésis – The Expanse tome 5 de J. S. A. Corey
    Sept cents pages de détente. Les aventures de l’équipage du Rossinante restent captivantes et ce tome réserve des surprises. 
  • Le minimum théorique de L. Susskind, G. Hrabovsky
    Un grand ouvrage sur la mécanique. Il s’agissait de ma troisième relecture. J’apprends encore.
  • Le minimum théorique – Mécanique quantique de L. Susskind et A. Friedman
    Un ouvrage ardu qui nécessite de solide bases en mathématique, quoi qu’en dise Susskind, mais un ouvrage de référence qui explique avec un angle d’attaque inhabituel toutes les facettes de la mécanique quantique à qui sait prendre son temps.
  • Acceptation – La trilogie du rempart sud de J. Vandermeer
    L’histoire se termine. On en sait désormais plus sur la Zone X. Ce n’est pas un bon roman mais on va jusqu’à la dernière ligne de la dernière page car on veut comprendre.
  • Le rituel de l’ombre de E. Giacometti et J. Ravenne
    Une lutte entre les Nazis et les francs-maçons. Vite lu puis rangé dans un coin de ma bibliothèque. J’espérais mieux.
  • Initiation à la physique quantique de V. Scarami
    Une brillante introduction à une matière complexe mais essentielle pour comprendre et apprivoiser le cosmos. La lecture de ce petite livre devrait être obligatoire.

Le monde va-t-il s’effondrer ?

Après avoir lu entre autres ouvrages L’Humanité en peril de F. Vargas et
Le plus grand défi de l’histoire de l’humanité d’A. Barrau (lire mes billets), j’ai lu en janvier dernier Devant l’effondrement d’Yves Cochet qui traite de la fin, i.e. de l’effondrement, puis de la résurrection sous une forme très affaiblie de nos sociétés modernes. Trois mois après cette lecture, la pandémie du virus CoVID-19 crée naturellement une résonance forte liée à l’arrêt soudain et brutal de nos sociétés et à la mise en confinement de la moitié de la population mondiale. Mais à ce stade, n’en déplaise à certains, notre civilisation, bien que vacillante, ne s’est pas encore effondrée.

Yves Cochet est mathématicien de formation, écologiste, député français, député européen, ministre de l’Environnement sous le gouvernement de Lionel Jospin et l’un des fondateurs de l’institut Momentum. Y. Cochet s’intéresse à l’Anthropocène (une époque conjecturale qui commence à la révolution industrielle et succède ainsi à l’Holocène), aux politiques de décroissance et à l’effondrement de la civilisation industrielle, c’est à dire à la collapsologie.

Je rejoins Yves Cochet et les membres de l’Institut Momentum sur la probabilité forte d’un basculement violent de nos modes de vie suite à l’effondrement de la civilisation des énergies fossiles. Notre monde se trouve en effet à un moment critique,  à l’aube d’une conjonction mortifère créée par l’addition et l’interaction de phénomènes ultimes : la fin des énergies fossiles, l’épuisement de l’ensemble des ressources, la chute sans fin de la biodiversité, la pollution de l’air, de l’eau, des sols et les changements climatiques dont la puissance et les effets ne sont hélas pas pris en compte à leur juste valeur. Il n’y a donc pas de doute à avoir, notre civilisation s’effondrera, signant ainsi la fin de l’Anthropocène. Reste à savoir quand, à quelle vitesse et jusqu’où ?
Avec cette vision du futur, à laquelle j’ai consacré plusieurs articles sur ce blog, je pourrais être considéré comme un collapsologue. Pourquoi pas.

Revenons à l’ouvrage d’ Yves Cochet. Il est bien écrit, bien structuré, riche et présente simplement des concepts et des modèles qu’il est utile de connaître. Je conseille sa lecture car il présente un point de vue qui doit être étudié et débattu. Cependant, je ne rejoins pas l’auteur sur plusieurs points.
Il y aura un effondrement mais je le pense lent et graduel et non abrupt et rapide. Je ne crois pas à un début de l’effondrement au cours de cette décennie mais je le vois plutôt se mettre en route dans le deuxième moitié du XXI siècle lorsque l’impact des effets combinés évoqués plus haut sera fort. Je ne pense pas non plus que le rebond, le retour à une vie relativement stable mais fragile et très différente de l’avant, se fasse rapidement (environ 30 ans après la chute d’après Y. C.). J’imagine plutôt des décennies sans états, sans gouvernement centralisateur durant lesquelles régneront des tribus et des clans dans une atmosphère probablement violente.
Finalement, j’imagine aussi une sortie du tunnel. J’ai aujourd’hui tendance à penser qu’une minorité échappera à l’effondrement et que cette minorité sera à même sur un temps long, des décennies voire des siècles, de reconstruire une civilisation évoluée, sorte de projection de l’époque actuelle dans un environnement bouleversé. Il faut y voir sans doute mon côté optimiste.

Tendance

Evolution du nombre de cas déclarés cumulés de CoVID-19 en fonction du nombre de jours pour la France et l’Italie. Echelle linéaire (gauche) et logarithmique (droite).

Vingt-deuxième jour de confinement. Tout va bien, il y a des situations bien plus difficiles et compliquées que la mienne, que la notre. Je suis à la maison avec mon fils. Je m’occupe de lui, de la maison et je travaille, beaucoup. On se croise avec Estelle. Elle bosse comme une dingue au service d’urgence de l’hôpital d’Orléans ; douze heure par jour depuis plus d’un mois. Mais ça va. Ils tiendront, ils se sont engagés. Ils sont là pour sauver des vies, quelles que soient les circonstances. C’est leur credo.

J’ai tracé sur les graphiques de la figure ci-dessus l’évolution journalière du nombre de cas déclarés de Coronavirus (données cumulées) depuis le 19 février dernier pour la France (courbe rouge) et pour l’Italie (courbe bleue). J’ai trouvé les chiffres sur le site de Eficiens qui offre un accès simple et pratique à de nombreuses statistiques. Ces chiffres sont aussi disponibles sur le site du Ministère de la Santé. Le graphique à gauche est en échelle linéaire alors que celui de droite est en échelle logarithmique (log décimal). Sur les deux graphiques on constate que le nombre de cas en Italie est nettement supérieur à celui de la France. Sur les courbes de gauche on constate bien un ralentissement mais en aucun cas un pic, c’est à dire un maximum. On le saura une fois le pic passé, à retardement. On verra alors le nombre de cas diminuer. Sur les courbes de droite en échelle log on distingue mieux les tendances et la vitesse de propagation de l’épidémie. Sur la courbe de la France j’ai ajouté en vert des lignes qui correspondent à un ajustement manuel aux données. Une droite en échelle log correspond à une évolution exponentielle, c’est à dire une évolution très rapide. La vitesse de propagation est alors donnée par la pente des droites. On voit qu’au début la croissance est extrêmement abrupte (le nombre de cas est multiplié par 1,3 chaque jour), puis vers le 25ème jour la croissance ralentit, tout comme au 40ème jour, ce qui marque peut-être l’impact du confinement. Si on constate bien un ralentissement, les données n’indiquent pas encore une pente nulle (droite horizontale) qui correspondrait à la fin de l’épidémie. Un ajustement avec une fonction sigmoïde simple (courbe en S), qui reproduit fidèlement les données actuelles, donne une fin d’épidémie au environ du 80ème jour soit le 8 mai. Pour observer le fameux maximum (le pic) il faut considérer le nombre de cas non cumulé c’est à dire observés quotidiennement ou bien le nombre de décès quotidien. Les spécialistes et des épidémiologistes prévoient un pic aux alentours du 12 avril. Attendons de voir. Ensuite on pourra envisager le déconfinement.

Silence

A cause de l’épidémie, ou plutôt de la pandémie, de Covid-19, nous sommes confinés à la maison depuis trois jours maintenant. Nous n’en sommes qu’au début, c’est une évidence. Le gouvernement parle de deux semaines mais il faut se rendre à l’évidence, la propagation de l’infection progresse ainsi que le nombre de morts. Je n’imagine pas reprendre une vie tout à fait « normale » avant la fin du mois d’avril, voire le mois de mai.

Je ne suis pas à plaindre malgré cet enfermement. Notre maison est grande, située dans un quartier tranquille et il y a un jardin ce qui nous permet de prendre l’air. Pour l’instant notre fils vit plutôt bien cette situation – tout comme moi – même s’il a intégré le fait qu’il ne s’agissait pas vraiment d’une période de vacances. Je découvre le télétravail car j’ai toujours préféré travailler à l’extérieur, dans un endroit dédié. J’ai tous les outils dont j’ai besoin, il n’y a pas de raison que je ne sois pas efficace même si il faut ajouter à mon activité d’autres tâches telles que faire l’école à mon fils et la préparation des repas. J’espère pouvoir profiter de cette période inattendue et un peu surréaliste pour lire d’avantage et écrire (des articles de physique).

J’ai encore du mal à réaliser la situation même si on a vu l’arrivée du virus et la montée en puissance de l’épidémie. La Chine d’abord, d’où s’est propagé ce virus mortel, puis d’autres pays asiatiques, puis l’Italie, puis la France. Je n’ai peut-être pas vraiment voulu croire ce que vivaient les chinois pouvait nous tomber dessus alors même que je suis un scientifique plutôt rigoureux et pragmatique. Il n’y avait aucune raison que la France soit épargnée. Désormais nous sommes confinés – mais pas totalement, ce qui d’ailleurs est discutable tout comme le maintien du premier tour des élections municipales – et il nous faut patienter, attendre en espérant ne pas être touché.

Je suis sorti prendre l’air hier soir vers vingt-trois heures sur notre terrasse. Le ciel était dégagé, la température agréable. Mais surtout, à mon grand étonnement, il n’y avait aucun, strictement aucun bruit autres que celui engendré par le mouvement des arbres dans le vent. Silence. Un grand silence. Quelle sensation agréable et nouvelle dans une ville ou règne un bruit de fond permanent. Pas de voix humaines, par de bruit de voitures ou de motos, pas d’avion au dessus de nos têtes. Rien. Silence. Un grand silence. Je continuerai à sortir le soir tard pour profiter de cette ambiance qui aura disparue dans quelques jours ou quelques semaines. Il faut en profiter, cela ne durera pas, et tant mieux.

IPSA-One

Voici un article sur l’association IPSA-One écrit par le journaliste Rémy Decourt, avec qui je collabore régulièrement, et paru récemment dans la revue Futura Sciences : Aragosat-1, un CubeSat réalisé par des étudiants de l’école IPSA.

IPSA-One est une association d’étudiants de l’école d’ingénieurs IPSA située à Ivry-sur-Seine dans laquelle j’enseigne la propulsion spatiale ionique entre autres sujets depuis plusieurs années. Cette jeune association, créée en 2016 et pilotée par des étudiants très motivés qui ne comptent par les heures, a pour objectif majeur de faire voler le CubeSat 3U Aragosat-1, dont la mission est la démonstration d’un système propulsif à plasma.

Mon équipe travaille avec IPSA-One depuis sa création via une collaboration formelle CNRS-IPSA. Nous avons ainsi aidé les étudiants à définir le type de propulseur le mieux adapté à leur mission. Après de nombreuses études théoriques et pratiques, les étudiants ont finalement opté pour un propulseur radio-fréquence qu’il ont baptisé NOO. Ce dernier est actuellement en développement. Les premiers essais dans une chambre à vide devraient avoir lieu à ICARE au printemps. La route est encore longue pour les membres d’IPSA-One et nul doute qu’elle sera sinueuse. Mais quand je vois leur détermination, leur motivation, leur engagement et la passion qui les anime, je ne doute pas une seule seconde du succès de cette aventure à laquelle je suis chanceux de participer.

Articles scientifiques

Notre article sur l’après colonisation de la planète Mars (open access – en accès libre) a été l’article le plus lu du journal Global Challenges en 2019. C’est un article qui sort de mon champ d’expertises mais j’ai pris beaucoup de plaisir à effectuer des recherches pour son écriture notamment sur lois qui régissent aujourd’hui l’exploitation de l’espace. Je remercie chaleureusement mais collègues, en particulier Igor, car ce fût une belle expérience très enrichissante.

Mars colonization: Beyond getting there, I. Levchenko, S. Xu, S. Mazouffre, M. Keidar, K. Bazaka, Global Challenges 2, 1800062 (2018)

L’un des articles les plus lu du journal Physics of Plasmas en ce début d’année avec 1217 vues traite des dernières avancées en propulsion spatiale ionique. Il est lui aussi en accès libre. C’est un article riche qui donne un aperçu assez juste de l’état actuel de la propulsion électrique même si faute de place nous n’avons pas pu traiter toutes les technologies. Il manque par exemple des résultats concernant les arcjets et les propulseurs MPD. Néanmoins une large part est consacrée aux propulseurs sans cathode à antenne(s) tels que les Helicons. Cet article est très complet puisque nous abordons aussi les cathodes et les simulations numériques. Finalement, en se basant sur les connaissances et les savoir-faire actuels et les besoins à venir (constellations, missions lunaires et martiennes, exploration du système solaire) nous avons consacré plusieurs pages aux perspectives réalistes pour le futur proche.

Perspectives, frontiers and new horizons for plasma-based space electric propulsion, I. Levchenko, S. Xu, S. Mazouffre, D. Lev, D. Pedrini, D. Goebel, L. Garrigues, F. Taccogna and K. Bazaka, Phys. Plasmas 27, 020601 (2020)

Je terminerai par l’article de synthèse (review) sur la propulsion électrique que j’ai écrit en 2016. C’est l’un des articles dont je suis le plus fiers et aussi celui qui m’a demandé le plus d’effort puisque j’y ai consacré plus de 300 heures. C’est l’un des articles les plus téléchargés et les plus cités (4866 téléchargement et 150 citations) du journal Plasma Sources Science and Technology. Ce journal a été créé en 1992 par, entres autres, mon directeur de thèse Daan Schram. C’est aujourd’hui le journal le plus renommé en physique des plasmas froids.

Electric propulsion for satellites and spacecraft: established technologies and novel approaches, S. Mazouffre, Plasma Sources Sci. Technol. 25 033002 (2016)

Chairs of Excellence

Je viens d’obtenir une Chaire d’Excellence (« Catedra de Excelencia  ») de l’Université Carlos III de Madrid. C’est une très agréable surprise car je ne pensais pas que mon projet, qui porte sur les phénomènes de transport dans les propulseurs Helicon, serait retenu. Il s’agit en effet de ma première tentative pour ce concours très sélectif qui récompense chaque année une quinzaine de chercheurs venus d’horizons très variés. Je remercie une fois encore le comité de sélection pour la confiance qu’il m’accorde et pour le soutien ainsi démontré à mon domaine de recherche. C’est un signal fort envoyé à notre communauté.

Je vais donc passer prochainement plusieurs mois à l’UC3M dans le groupe EP2 dirigé par mon ami E. Ahedo pour travailler en particulier sur le transport des ions et des neutres dans la tuyère magnétique d’un propulseur Helicon. J’accueillerai également mon collègues P. Farjado au sein de l’équipe PE de l’ICARE pour la mise en place des outils de diagnostics laser nécessaires à nos travaux communs.