Moteur ionique - Définition
Un moteur à ions est un moteur qui produit sa force de propulsion en projetant des ions à très haute vitesse.
Bien que le grand public associe généralement le moteur à ions à des séries de science-fiction telles que Star Trek, ce moteur existe bel et bien. Son principe a déjà été pensé au début du XXe siècle et il est employé depuis quelques années pour le vol spatial.
Fonctionnement du moteur à ions
Dans un moteur à ions, le carburant n'est pas brûlé mais ionisé. Les ions alors libérés passent par deux grilles fortement chargées électriquement et subissent ainsi une accélération. La force d'accélération des ions cause une force de réaction de sens opposé : c'est la force de propulsion du moteur à ions.
Les ions récupèrent leurs électrons juste avant de sortir du moteur, afin de maintenir la neutralité de charge du véhicule et du carburant éjecté.
C'est le xénon (un gaz rare) qui est utilisé comme " carburant ". Par le passé, le sodium et le mercure ont été testés, mais ces matières érodent le moteur.
L'énergie électrique nécessaire pour l'ionisation du carburant et l'accélération des ions libérés est obtenue grâce à des panneaux solaires. Dans le futur, on utilisera sans doute également des réacteurs nucléaires pour fournir cette énergie.
Comparaison avec les moteurs de fusée conventionnels
Avec les moteurs conventionnels, il faut embarquer la masse à éjecter et l'énergie pour l'éjecter. Alors qu'avec les moteurs ioniques, seule la masse à éjecter est embarquée, l'énergie de l'éjection peut être prise sur place avec des panneaux solaires ou provenir d'un générateur thermoélectrique à radio-isotope.
Les moteurs de fusée conventionnels fournissent en peu de temps une accélération importante mais utilisent pour cela de grandes quantités de carburant. La réserve de carburant elle-même doit être propulsée tout autant que le véhicule spatial. Les moteurs de fusée doivent pouvoir supporter des contraintes énormes (pression, températures), ce qui les rend lourds, et qui eux-mêmes doivent être propulsés... En conséquence, le véhicule spatial doit emmener avec lui encore plus de carburant.
Les moteurs à ions, produisent une force de propulsion faible, sur une longue durée et, sont particulièrement économes. Ils produisent, par kilogramme de carburant, une énergie de propulsion supérieure à celle des moteurs de fusée conventionnels. Ils peuvent donc, après un temps certes non négligeable, obtenir la même vitesse, et ce avec une consommation de carburant bien moindre. Le véhicule spatial peut alors emporter moins de carburant. Les moteurs à ions étant également beaucoup plus légers, ils permettent une nouvelle économie de carburant.
Application
Les moteurs à ions, de par leur petite force de propulsion, ne conviennent pas pour le lancement de véhicules spatiaux. Pour cela, les moteurs de fusée conventionnels sont encore nécessaires. Mais, en principe, dès que le véhicule spatial a atteint l’espace, le moteur à ions peut prendre le relais.
Le moteur à ions peut fonctionner très longtemps sans s’arrêter, si nécessaire durant des années. Avec son aide, des destinations extrêmement lointaines, comme Jupiter, peuvent être atteintes bien plus rapidement.
Le moteur à ions a été testé de façon poussée pour la première fois par le véhicule spatial non-habité Deep Space 1. Ce dernier a été lancé par la NASA le 24 octobre 1998. Il avait pour but premier de tester un certain nombre de nouvelles techniques astronautiques, dont le moteur à ions. À la fin de la mission, la vitesse de Deep Space 1 avait augmenté, grâce au moteur à ions, de 4,5 kilomètres par seconde, après l’usage de seulement 81,5 kilogrammes de carburant. Avec un moteur conventionnel et en utilisant autant de combustible, le véhicule aurait subi à peine un dixième de cette accélération.
Le satellite européen Astra 2A, qui transmet des signaux télé, est muni d’un moteur à ions. Les forces d’attraction variables de la Lune et du Soleil font en sorte que des satellites de ce type doivent souvent effectuer des corrections de trajectoire. La quantité de carburant qui peut être emportée est limitée, mais du fait que le moteur de l’Astra 2A est très économe, sa durée d’utilisation sera beaucoup plus longue que les +/- 10 ans habituels.
La sonde spatiale SMART-1 de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) a aussi un moteur à ions. Elle a été lancée le 28 septembre 2003 et a été ecrasée sur la Lune (3 septembre 2006) comme prévu dans l'objectif initial du programme. Cette sonde met beaucoup plus de temps qu’un véhicule spatial muni d’un moteur conventionnel, mais elle est beaucoup plus économe et coûte donc beaucoup moins cher (car la charge à mettre en orbite est considérablement réduite).
La sonde spatiale japonaise Hayabusa est dotée d’un moteur ionique. C'est la première à avoir (presque) réussi à se poser sur l’astéroïde Itokawa le 19 novembre 2005. Sa propulsion ionique lui permettra de revenir sur Terre avec des échantillons de l’astéroïde en 2010, après avoir parcouru environ 300 millions de kilomètres.
La NASA travaille au développement d’un moteur à ions qui sera alimenté en énergie grâce à un réacteur nucléaire. Cela rendrait l’utilisation du moteur à ions possible pour les vols spatiaux à si grande distance du Soleil que des panneaux solaires ne peuvent plus fournir assez d’énergie.