Une nouvelle étude démontre l’iode comme propulseur de satellite… dans l’espace

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  • Les scientifiques tentent pour la première fois de soutenir l’essor des satellites miniaturisés avec le développement d’un moteur à plasma utilisant un propulseur à base d’iode – plutôt que le xénon couramment utilisé – pour la première fois.

    Lancés en novembre dernier par la société spatiale chinoise Spacety, les systèmes de propulsion développés par la société française ThrustMe sont censés offrir une alternative moins chère et plus évolutive à la propulsion au xénon, selon une étude évaluée par des pairs du cofondateur et directeur technique ukrainien Dmytro Rafalskyi.

    Le vaisseau spatial Dawn de la NASA voyage également dans l’espace à l’aide d’une propulsion ionique, dans laquelle les ions sont accélérés à partir d’un moteur, ce qui donne une poussée au vaisseau spatial. Dans cette illustration, un propulseur au xénon est utilisé (les ions xénon brillent de lumière bleue – les ions iode sont susceptibles de briller en violet). Image : NASA/JPL-Caltech

    En gros, les moteurs à plasma utilisent un champ électrique pour accélérer les particules d’un gaz chargé qui pousse le véhicule. Le carburant est quelle que soit la source d’électricité – solaire dans le cas des satellites – mais ils nécessitent toujours un gaz propulseur. Le xénon est devenu le propulseur de facto des moteurs spatiaux à plasma qui aident à contourner les satellites en orbite, bien que plus récemment, SpaceX d’Elon Musk ait adopté le krypton.

    Schéma du système de propulsion électrique à l’iode NPT30-I2

    Schéma du système de propulsion électrique à l'iode NPT30-I2

    L’iode solide (région vert plus foncé) est situé dans un réservoir de stockage en amont du tube source de plasma (région bleue). Le chauffage provoque la sublimation et un gaz à basse pression (zone verte plus claire) pénètre dans le tube source (flèche verte). Un plasma (région violette) est créé par une antenne RF, et des ions iode (I+, JE2+ et moi2+) sont accélérés par un ensemble de grilles. Une cathode émet des électrons (e) pour neutraliser le faisceau d’ions. La chaleur résiduelle est conduite vers le réservoir d’iode et le cadre structurel (flèches bleues pleines) ou rayonnée (flèches bleues en pointillés). Image : Rafalskyi et al.

    Le problème est que le xénon est cher et doit être compressé dans des réservoirs à haute pression pour s’adapter à un satellite, selon un article accompagnant l’article, “Démonstration en orbite d’un système de propulsion électrique à l’iode”, publié dans Nature cette semaine. “Le Krypton est moins cher, mais nécessite toujours un système complexe et lourd de stockage et d’approvisionnement en gaz”, a-t-il déclaré.

    Les petits satellites pèsent moins de 100 kg environ et gagnent en popularité. Le nombre de lancements dans l’espace est passé de 39 en 2011 à 389 en 2019, avant de passer à 1 202 en 2020.

    Parler à Le registre, Rafalskyi a expliqué que le xénon était interdit pour les satellites à cette échelle.

    “Le xénon est le gaz noble le plus lourd qui n’est pas radioactif. C’est ainsi que le xénon est entré dans le jeu et au moment où il a commencé à être utilisé, les coûts de mission étaient en fait assez énormes. Donc, les coûts du xénon étaient bien, mais maintenant nous pouvons ne miniaturise pas la technologie et le coût est insensé », a-t-il déclaré.

    Ce n’est pas seulement le coût de la matière première. Le xénon doit être manipulé dans des réservoirs à haute pression capables de supporter des centaines de kg par centimètre carré. Il est interdit de pré-remplir les satellites avec du xénon avant de les emmener sur le site de lancement – ​​ce serait comme transporter une bombe, a déclaré Rafalskyi – donc un équipement spécialisé et des ingénieurs certifiés sont nécessaires pour remplir le vaisseau spatial, ce qui fait encore augmenter les coûts.

    Les ingénieurs spatiaux avaient besoin d’une alternative s’ils voulaient pouvoir manœuvrer leur vaisseau spatial miniaturisé après qu’ils aient été éjectés de leurs lanceurs.

    L’iode était proposé comme candidat depuis les années 1970. Il est solide à température ambiante mais se sublime facilement en gaz ce qui le rend beaucoup plus facile à transporter et à stocker que le xénon.

    Mais on savait peu de choses sur ses propriétés fondamentales en tant que gaz plasma, a déclaré Rafalskyi.

    En dehors de la médecine, l’iode n’était pas utilisé pour de nombreuses autres applications nécessitant une compréhension de quoi que ce soit au-delà de ses propriétés de base. Ainsi Rafalskyi – qui a un doctorat en physique des plasmas – et son équipe se sont mis au travail pour établir une base de données de propriétés basée sur leurs expériences.

    L’iode est un halogène et donc chimiquement actif. Ses propriétés corrosives devaient être comprises en détail avant de se lancer dans une ingénierie sérieuse. « Il est corrosif avec l’acier inoxydable, par exemple, mais vous ne pouvez pas trouver ces taux de corrosion avec une bonne précision. Nous avons dû créer notre propre base de données de matériaux et de leurs taux de corrosion avec l’iode, ce qui a nécessité de nombreux tests et beaucoup de mesures”, a-t-il déclaré.

    L’équipe a également été la première à mesurer les rendements d’émission d’électrons du gaz. “Cela semble un peu complexe, mais c’est l’une des propriétés que vous devez connaître si vous souhaitez développer un moteur”, a déclaré Rafalskyi.

    L’équipe a également dû relever des défis d’ingénierie, tels que la gestion des propriétés corrosives de l’iode dans un moteur pouvant fonctionner pendant 2 000 heures. Parallèlement, il rend également les moteurs sujets au “colmatage” car il se condense aussi facilement qu’il se sublime.

    Ensemble, la collecte de données physiques et les défis d’ingénierie ont pris environ sept ans au cours desquels la mission était son “objectif personnel”, a déclaré Rafalskyi.

    Dans le moteur ThrustMe, l’iode solide est stocké dans un réservoir, où il se sublime en gaz. De là, il est introduit dans une chambre à plasma où il est divisé en ions et électrons libres. Les ions sont accélérés à l’arrière du moteur par un champ magnétique produit par une antenne à l’extérieur de la chambre. Mais il faut les neutraliser à leur sortie, sinon, ils sont à nouveau aspirés dans le moteur après quelques microsecondes.

    Dans les moteurs à plasma établis, cela se fait en utilisant le même propulseur que le propulseur. Mais aucun de ces appareils n’était compatible avec l’iode, a déclaré Rafalskyi.

    “C’était un très gros défi. Cela semblait presque impossible à l’époque. Nous avons dû changer complètement le concept et remonter le temps pour utiliser une technologie plus ancienne de neutraliseur de filament. Cela fonctionnerait, bien sûr, avec de l’iode mais c’était extrêmement difficile à positionner et à régler », a-t-il déclaré.

    Dans un commentaire sur l’article évalué par des pairs, Igor Levchenko du Plasma Sources and Application Center de l’Université technologique de Nanyang à Singapour, et Kateryna Bazaka du College of Engineering and Computer Science de l’Australian National University, ont déclaré que le projet avait démontré avec succès un propulseur ionique fonctionnant dans l’espace, “offrant une alternative moins chère et plus simple au xénon ou au krypton”.

    D’après le papier :

    Mais les clients n’ont pas attendu la publication des résultats du test du satellite NPT30-I2 Beihangkongshi-1 lancé par une fusée Longue Marche 6 l’année dernière.

    “Nous avons déjà un vol commercial et en plus, nous avons livré plus de 10 systèmes à des clients dans le monde cette année”, a déclaré Rafalskyi.

    L’équipe ThrustMe travaille actuellement à la mise à niveau vers une ligne de production commerciale qui, espère-t-elle, produira 100 systèmes par an d’ici le milieu de l’année prochaine pour répondre à la demande croissante de petits satellites pour lesquels même un minimum de maniabilité est un bonus. ®

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