Les simulations sur superordinateur révèlent comment protéger les vaisseaux spatiaux propulsés par la propulsion électrique de leur propre échappement
La propulsion électrique est une alternative plus efficace aux fusées chimiques traditionnelles, et elle est de plus en plus utilisée lors des missions spatiales. Elle a commencé avec des prototypes sur le Deep Space 1 de la NASA et le SMART-1 de l’Agence spatiale européenne en 1998 et 2003, respectivement, puis a été utilisée sur des missions scientifiques phares telles que Dawn de la NASA et Psyche vers la ceinture d’astéroïdes. Il y a même des projets d’utilisation de la propulsion électrique sur la future station spatiale Gateway de la NASA. L’idée derrière la propulsion électrique est qu’un courant électrique ionise des atomes d’un gaz neutre, comme du xénon ou du krypton, stocké à bord du vaisseau spatial. Le processus d’ionisation produit un nuage d’ions et d’électrons. Ensuite, un principe appelé effet Hall génère un champ électrique qui accélère les ions et les électrons et les canalise dans une traînée bleue caractéristique qui émerge du vaisseau spatial à une vitesse de plus de 60 000 km/h. Par conséquent, un système de propulsion électrique est également appelé moteur ionique. Selon la troisième loi du mouvement d’Isaac Newton, chaque action a une réaction égale et opposée. Ainsi, la traînée d’ions qui jaillit du vaisseau spatial agit comme une poussée. Cependant, il faut un certain temps pour accumuler de l’élan, car malgré sa grande vitesse, la traînée d’ions est assez clairsemée. L’impulsion générée n’est donc pas immédiatement aussi puissante qu’une fusée chimique, mais les moteurs ioniques nécessitent moins de carburant et donc moins de masse, ce qui réduit les coûts de lancement, et les moteurs ioniques n’épuisent pas leur carburant aussi rapidement que les fusées chimiques. L’énergie pour les champs électromagnétiques est souvent fournie par des panneaux solaires, c’est pourquoi cette technologie est parfois appelée propulsion électrique solaire. Mais pour les missions plus éloignées du soleil, où la lumière est plus faible, l’énergie nucléaire peut également être utilisée sous forme de générateurs thermoélectriques à radioisotope (GTR) pour alimenter la propulsion électrique. Bien que la propulsion électrique soit maintenant en phase de maturation et utilisée dans diverses missions, ce n’est pas une technologie parfaite. Un problème en particulier est que le nuage d’ions peut endommager un vaisseau spatial. Bien que le nuage soit dirigé loin de la sonde, les électrons du nuage peuvent être redirigés, se déplaçant à l’encontre de la direction du nuage et heurtant le vaisseau spatial, endommageant les panneaux solaires, les antennes de communication et tout autre composant exposé. Autant dire que ce n’est pas bon pour la sonde. Pour les missions susceptibles de durer des années, les propulseurs [à propulsion électrique] doivent fonctionner de manière fluide et constante pendant de longues périodes de temps, a déclaré Chen Cui de l’École d’ingénierie et des sciences appliquées de l’Université de Virginie dans un communiqué. Avant de pouvoir mettre en place des solutions pour protéger un vaisseau spatial de ces électrons rétrodiffusés, il faut d’abord comprendre leur comportement dans le nuage généré par le moteur ionique, c’est là que Cui et Joseph Wang de l’Université de Californie du Sud interviennent. Ils ont réalisé des simulations sur superordinateur de l’échappement d’un moteur ionique, modélisant le comportement thermodynamique des électrons et leur influence sur les caractéristiques globales du nuage. Ces particules peuvent être petites, mais leur mouvement et leur énergie jouent un rôle important dans la détermination de la dynamique macroscopique du nuage émis par le propulseur à propulsion électrique, a déclaré Cui. Ce que Cui et Wang ont découvert, c’est que les électrons du nuage se comportent différemment en fonction de leur température et de leur vitesse. Les électrons ressemblent beaucoup à des billes emballées dans un tube, a déclaré Cui. À l’intérieur du faisceau, les électrons sont chauds et se déplacent rapidement. Leur température ne change pas beaucoup si vous suivez la direction du faisceau. Cependant, si les ‘billes’ roulent depuis le milieu du tube, elles commencent à se refroidir. Ce refroidissement se produit davantage dans une certaine direction, la direction perpendiculaire à celle du faisceau. En d’autres termes, les électrons au cœur du faisceau qui se déplacent le plus rapidement ont une température plus ou moins constante, mais ceux à l’extérieur se refroidissent plus rapidement, ralentissent et sortent du faisceau, risquant ainsi d’être rétrodiffusés et d’endommager le vaisseau spatial. Maintenant que les scientifiques comprennent mieux le comportement des électrons dans le nuage ionique, ils peuvent l’incorporer dans la conception des futurs moteurs à propulsion électrique, cherchant des moyens de limiter la rétrodiffusion ou de confiner les électrons davantage au cœur du faisceau. En fin de compte, cela pourrait permettre aux missions propulsées par la propulsion électrique de voler plus loin et plus longtemps, poussées par la douce brise bleue de leur nuage ionique.
