Un moteur à effet Hall pourrait équiper la LOP-G
— Actualités du 3 mars 2019 —
Le moteur X3 est un projet très intéressant du programme Next Leap de NASA. L’objectif de ce programme est de mettre au point certaines des technologies qui permettront d’explorer davantage le système solaire. X3 est un moteur à effet Hall. Cela signifie qu’il utilise des champs électriques et magnétiques pour ioniser et accélérer un gaz neutre, le xénon.
Des moteurs à effet Hall sont utilisés pour des applications spatiales depuis des décennies. Ce qui distingue le moteur X3, c’est sa forte puissance et sa grande modularité. Le moteur développé par la NASA et l’US Air Force est composé de trois canaux concentriques d’accélération.
Le moteur X3 peut fonctionner avec une puissance électrique de 200 kilowatts maximum, ce qui est assez d’énergie pour alimenter un petit village sur Terre. Cela lui a permis d’établir des records de poussée pour un moteur à effet Hall : 5,4 Newton lors d’un test mené en 2018. Cela équivaut à peu près à la force ressentie quand vous tenez une plaque de beurre dans la main, ce qui est très peu. Mais les moteurs à effet Hall sont conçus pour fonctionner en continu pendant des semaines et même des mois, ce qui suffit pour fournir une réelle accélération. Cette puissance relativement élevée permet d’imaginer de nombreuses applications au moteur X3.
La NASA souhaite équiper sa station spatiale lunaire, la LOP-G, d’un module de propulsion électrique. Il faudra un moteur de forte puissance, peut-être même plusieurs, pour maintenir efficacement la LOP-G en orbite. Le contrat pour la construction de ce premier module de la LOP-G devrait être attribué au printemps 2019. Peut-être qu’on entendra parler du moteur X3 à ce moment-là.
Une grappe de X3 fonctionnant à 800 kilowatts de puissance devrait aussi être capable de propulser une mission habitée vers la planète Mars. C’est ce que pense l’équipe de développement du projet. Mais c’est difficile de fournir une telle puissance électrique à un vaisseau spatial. Cela nécessite soit d’installer d’immenses panneaux solaires, soit d’utiliser l’énergie nucléaire.
L’immense impact du moteur ionique sur l’exploration spatiale
Au sein d’un moteur ionique, le xénon et d’abord bombardé par des électrons pour former un plasma ionisé. Il est ensuite accéléré à travers de grilles qui possèdent une grande différence de potentiel électrique. Le résultat est impressionnant, le faisceau ionisé forme un halo bleuté rappelant des films de science-fiction. La poussée produite et pourtant infime, de l’ordre de 90 millinewton. C’est à peu près la force qu’exerce une feuille de papier posée sur la main.
En 1998, la NASA a lancé la sonde spatiale Deep Space 1, son premier vaisseau d’exploration équipé d’un système de propulsion ionique. Deep Space 1 a prouvé qu’avec des panneaux solaires et quelques dizaines de kilogrammes de xénon, une sonde spatiale pouvait effectuer une mission bien au-delà du système Terre-Lune. La propulsion ionique a démontré tout son potentiel pour les missions spatiales à bas coûts, qui ne peuvent embarquer qu’une quantité limitée d’ergols. La NASA décide assez rapidement de capitaliser sur ce premier succès.
Ce mode de propulsion innovant permet d’envisager de nouveaux objectifs. La propulsion ionique permet d’atteindre certaines destinations en dépensant dix fois moins d’ergols qu’avec un moteur chimique, à condition d’être patient. Les accélérations fournies sont en effet minuscules, il faut donc faire tourner un moteur ionique pendant des mois ou des années pour produire une accélération significative. Un moteur ionique a aussi besoin d’une alimentation électrique, et seuls des panneaux solaires peuvent fournir la puissance nécessaire pour les faire tourner, ce qui limite un peu les possibilités, car au-delà de l’orbite de la planète Mars les panneaux solaires deviennent presque inutiles.
Le moteur ionique de l’université du Michigan bat des records de puissance
— Actualités du 13 mars 2018 —
Les moteurs ioniques promettent un bel avenir à l’exploration spatiale. Leur plus gros point fort est leur faible consommation d’ergol, et leur plus gros point faible est leur manque de puissance. Développer un moteur électrique de forte puissance serait donc un tournant technologique qui donnerait un gros avantage pour explorer le système solaire, et peut-être même pour le coloniser. Une équipe de l’université du Michigan travaille en collaboration avec la NASA et a pu mettre au point et tester un propulseur à effet Hall, appelé X3. Ce propulseur a battu tous les records de puissance et de poussée. Il a pu fonctionner à une puissance de 102 kilowatts pour une poussée de 5,4 Newton. Il bat le record de poussée d’un propulseur à effet Hall de plus de 60%.
La propulsion ionique fait partie des possibilités que la NASA explore pour un voyage martien. Le X3 est actuellement capable de fonctionner jusqu’à une centaine de kilowatts. Avec un système fonctionnant à 500 kilowatts ou même 1 mégawatt, ce type de moteur deviendrait assez puissant pour alimenter en énergie des missions habitées au-delà de l’orbite lunaire. Pour parvenir à avoir plus de puissance par rapport aux propulseurs à effet Hall conventionnels, l’université du Michigan a réalisé un design en plusieurs anneaux imbriqués, chargés de canaliser le plasma. Le propulseur est assez imposant : presque un mètre de diamètre. On imagine que si on souhaite encore multiplier la puissance par dix, le propulseur devra être immense. Pour que le X3 fasse vraiment ses preuves, il faut qu’il réalise un test de fonctionnement à pleine puissance sur une longue durée. La propulsion ionique est en effet intéressante uniquement si on compense à faible puissance par des durées
de fonctionnement très longues. Le X3 va donc subir un test de 100 heures l’année prochaine.
L’étape suivante consistera à intégrer le X3 dans un design de l’entreprise Aerojet Rocketdyne. Cette entreprise sera chargée de concevoir une alimentation électrique et un système d’approvisionnement en xénon pour le moteur. Dans son design final, le X3 devrait pouvoir fonctionner jusqu’à 200 kilowatts et être alimenté par des panneaux solaires. C’est là la principale difficulté : les 2500 mètres carrés de panneaux solaires de la station spatiale internationale (ISS) ne produisent que 120 kilowatts de puissance électrique, dans les meilleures conditions. La surface de panneaux solaires nécessaire serait donc gigantesque pour un vaisseau spatial dont le système de propulsion demande 200 kilowatts à lui seul et auquel il faudrait ajouter les besoins électriques de la mission en elle-même.
Image by NASA (Great Images in NASA Description) [Public domain], via Wikimedia Commons
Sources
