Le xénon perd du terrain face à un carburant pour satellites plus rentable
Ces dix dernières années, le nombre de petits satellites en orbite autour de la Terre a constamment augmenté grâce à la conception de dispositifs électroniques minuscules et à la réduction des coûts de lancement. Dans les années à venir, des opérateurs de satellites tels que OneWeb et StarLink prévoient de mettre en orbite des dizaines de milliers de satellites afin d’élargir la couverture de l’internet et d’améliorer les services d’observation de la Terre. D’une manière générale, les systèmes de propulsion électrique qui alimentent ces petits satellites comprennent des dispositifs électroniques complexes et utilisent, entre autres, des propergols au xénon ou au krypton, deux gaz onéreux et disponibles en quantité limitée.
Un substitut abondant et rentable aux carburants pour satellites standard
Le projet iFACT, financé par l’UE, a présenté une nouvelle architecture de propulseur et mis en avant l’utilisation d’un propergol de substitution meilleur marché afin d’accroître la compétitivité sur le marché de la propulsion électrique. Les chercheurs ont jeté leur dévolu sur l’iode comme substitut viable au xénon, un élément naturellement présent dans les sols et les océans. Son utilisation comme propergol simplifie considérablement l’architecture du sous-système d’alimentation en propergol, ce qui se traduit par des économies de coûts importantes. Bien que sa masse soit peu ou prou équivalente à celle du xénon, sa densité de stockage est trois fois supérieure, ce qui permet de réduire la masse du sous-système d’alimentation. Franz Georg Hey, coordinateur du projet, déclare «Nous avons mis au point et fait la démonstration des éléments constitutifs clés qui favorisent l’utilisation de l’iode comme propergol à des fins de propulsion électrique. Depuis 2020, trois propulseurs différents alimentés à l’iode ont été construits (dont la puissance varie entre 10 et 1 000 W) et l’un d’eux a été monté avec succès sur une plateforme CubeSat conçue par Endurosat.»
Une architecture optimisée pour l’iode
Conçu par Airbus, l’Advanced Cusp Field Thruster (ACFT) est un propulseur électrique prometteur qui carbure à l’iode. Ce propulseur, qui est constitué d’une paire d’aimants, de deux pièces polaires, d’une anode magnétique et d’une chambre de décharge diélectrique, peut être facilement allumé et génère une décharge de plasma stable. «L’ACFT de 300 W compte plus de 3 000 heures de fonctionnement dans une installation à vide compatible avec l’iode, développée par le partenaire du projet Aerospazio Technologie, en Italie. C’est un accomplissement très importante pour la propulsion à l’iode, qui démontre qu’il est possible d’alimenter un seul propulseur avec plusieurs kilogrammes d’iode», fait remarquer Georg Hey. Le propergol est injecté dans la chambre de décharge du propulseur, aux bords de l’anode. À la sortie du propulseur, une cathode creuse émet des électrons pour neutraliser le faisceau ionique extrait et générer la décharge de plasma. L’équipe du projet a conçu des cathodes creuses qui émettent des électrons à la fois pour la génération du plasma et la neutralisation du faisceau. Ces cathodes creuses, qui génèrent de grandes quantités de plasma, s’auto-échauffent et ajustent leur baisse de tension pour fournir le chauffage interne nécessaire à la production de la décharge ionique souhaitée. L’équipe du projet a expérimenté différents matériaux de cathode pour tester leur compatibilité avec l’iode. «L’aluminate de calcium (C12A7) est un matériau de cathode prometteur qui est susceptible d’être compatible avec l’iode. Les ions d’iode chargés positivement, accélérés par un champ électrique, produisent la poussée. Après avoir quitté le moteur, les ions d’iode chargés positivement sont neutralisés une fois de plus grâce à l’ajout d’électrons au courant afin d’éviter une charge électrique négative sur le satellite», explique Franz Georg Hey. Qui plus est, le matériau possède une fonction de travail plus petite que l’hexaborure de lanthane (LaB6) communément utilisé. L’équipe du projet est parvenue à démontrer qu’à des pressions partielles basses, l’iode n’entraîne aucune dégradation du satellite et peut dès lors être utilisé en toute sécurité comme propergol. Les activités d’iFACT ont fourni suffisamment de données sur le comportement de l’iode avec les matériaux utilisés dans le système de propulsion. Les chercheurs espèrent que l’utilisation de l’iode contribuera non seulement à réduire les coûts et le volume de carburant, mais aussi à mettre au point des modules de propulsion considérablement plus petits et plus légers.
Mots‑clés
iFACT, iode, satellite, xénon, propulsion électrique, plasma, cathode creuse, advanced cusp field thruster