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May 18, 2023

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Nature volume 599, pages 411-415 (2021)Citer cet article 43k Accès 36 Citations 393 Détails des métriques Altmetric La propulsion est un sous-système critique de nombreux engins spatiaux1,2,3,4. Pour un propulseur efficace

Nature volume 599, pages 411-415 (2021)Citer cet article

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36 citations

393 Altmétrique

Détails des métriques

La propulsion est un sous-système essentiel de nombreux engins spatiaux1,2,3,4. Pour une utilisation efficace du propulseur, les systèmes de propulsion électrique basés sur l’accélération électrostatique des ions formés lors de l’ionisation par impact électronique d’un gaz sont particulièrement intéressants5,6. À l’heure actuelle, le xénon est utilisé presque exclusivement comme propulseur ionisable pour la propulsion spatiale2,3,4,5. Cependant, le xénon est rare, il doit être stocké sous haute pression et sa production commerciale est coûteuse7,8,9. Nous démontrons ici un système de propulsion qui utilise un propulseur à l'iode et nous présentons les résultats en orbite de cette nouvelle technologie. L'iode diatomique est stocké sous forme solide et sublimé à basse température. Un plasma est ensuite produit avec une antenne inductive radiofréquence, et nous montrons que l'efficacité d'ionisation est améliorée par rapport au xénon. Les ions iode atomiques et moléculaires sont accélérés par des grilles haute tension pour générer une poussée, et un faisceau hautement collimaté peut être produit avec une dissociation substantielle de l'iode. Le système de propulsion a été exploité avec succès dans l'espace à bord d'un petit satellite, les manœuvres étant confirmées à l'aide des données de suivi du satellite. Nous prévoyons que ces résultats accéléreront l’adoption de propulseurs alternatifs au sein de l’industrie spatiale et démontreront le potentiel de l’iode pour un large éventail de missions spatiales. Par exemple, l’iode permet une miniaturisation et une simplification substantielles des systèmes, ce qui confère aux petits satellites et aux constellations de satellites de nouvelles capacités de déploiement, d’évitement des collisions, d’élimination en fin de vie et d’exploration spatiale10,11,12,13,14.

Les engins spatiaux ont besoin d'une propulsion pour effectuer des manœuvres dans l'espace, telles que les transferts d'orbite, l'évitement des collisions, le maintien de l'orbite pour compenser les perturbations aérodynamiques ou gravitationnelles et l'élimination en fin de vie1. Le choix de la technologie de propulsion, notamment sa vitesse d'échappement, détermine la masse propulsive nécessaire. La propulsion électrique5,15 utilise l’énergie électrique pour accélérer un propulseur (via des champs électriques et/ou magnétiques) et peut atteindre des vitesses d’échappement d’un ordre de grandeur supérieures à la propulsion chimique (qui utilise l’énergie de réactions chimiques pour l’accélération du propulseur). Certains des systèmes de propulsion électrique les plus performants comprennent les propulseurs ioniques et à effet Hall5, qui créent un plasma par ionisation par impact électronique d'un gaz6 et accélèrent électrostatiquement les ions pour générer une poussée. En plus d’être utilisés par de nombreux satellites commerciaux en orbite autour de la Terre, ces systèmes de propulsion sont également utilisés pour l’exploration spatiale. Les exemples incluent la mission SMART-1 de l'Agence spatiale européenne vers la Lune2, la mission Dawn de la NASA qui a étudié les protoplanètes Cérès et Vesta dans la ceinture d'astéroïdes entre Mars et Jupiter16, et les missions de retour d'échantillons Hayabusa1 et Hayabusa2 de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale vers le proche- Astéroïdes terrestres 25143 Itokawa17 et 162173 Ryugu18.

Les engins spatiaux étant limités en puissance, les systèmes de propulsion électrique doivent maximiser leur rapport poussée/puissance, ce qui, pour les accélérateurs électrostatiques, nécessite un propulseur avec un faible seuil d'ionisation et une masse atomique élevée5. À l'heure actuelle, le propulseur de choix est le xénon. Cependant, le xénon est très rare (moins d’une partie pour dix millions dans l’atmosphère) et sa production commerciale est à la fois coûteuse et limitée7,8,9. Il existe également des applications concurrentes qui utilisent le xénon, notamment l’éclairage et l’imagerie, les anesthésiques dans les hôpitaux9,19 et la gravure dans l’industrie des semi-conducteurs20. Avec l’essor des méga-constellations de satellites21,22,23, la demande de xénon pourrait dépasser l’offre au cours des dix prochaines années. Un autre inconvénient est que le xénon doit être stocké à des pressions très élevées (généralement 10 à 20 MPa), ce qui nécessite un équipement de chargement spécialisé et un personnel qualifié, ce qui le rend incompatible avec le paradigme du « nouvel espace ». Pour la durabilité à long terme de l’industrie spatiale, il est essentiel de trouver un propulseur de remplacement.