LA PROPULSION IONIQUE ET PLASMIQUE.

Et si on utilisait l'éléctricité pour propulser les engins spatiaux? En voilà une idée "qu'elle est bonne"!! Mais comment faire?

Il existe plusieurs manières d'utiliser l'éléctricité pour propulser un engin spatial.

1. Utiliser les forces d'attractions et de répulsions entre charges électriques (propulseurs ioniques).
2. Utiliser les forces issues de l'interaction entre champs magnétiques et charges électriques (forces de lorentz) (propulseur magnéto-plasma-dynamique ou MPD).
3. Utiliser la chaleur produite par un système électrique pour réchauffer fortement un fluide propulsif (propulseur à arc) ou un plasma (vasimr).

1) LA PROPULSION IONIQUE

Souvenez-vous:
Les charges de même signes se repoussent.
Les charges de signes contraires s'attirent.
Les particules neutres....s'en foutent!

Pour que la matière à éjecter soit sensible aux forces électriques, il faut donc qu'elle soit elle aussi porteuse de charge(s) électrique(s), elle doit donc être IONISÉE.

Puisqu'il faut l'ioniser, autant que cela ne soit pas trop difficile; on choisira donc une matière qui s'ionise sans trop de difficultés comme le césium ou le xénon (entre autre).

Le césium ayant tendance à se montrer un peu corrosif avec certaines parties du moteur, on ne l'utilise plus. Les sondes spatiales telles que Deep Space One ou Smart1 utilisent le xénon; en plus, ce gaz donne au jet d'éjection une coloration bleutée du plus bel effet!

Un propulseur ionique "classique" est une sorte de cylindre court dans lequel le gaz à ioniser (souvent du xénon) est injecté, puis ionisé, et enfin accéléré par des grilles chargées d'éléctricité.

Il y a plusieurs méthodes pour obtenir une ionisation (décharges électriques, hautes fréquences, etc..), mais la plus souvent choisie est la méthode dite du bombardement. Elle consiste à soumettre les atomes de gaz (du xénon par ex.) à un bombardement (d'où son nom) d'électrons en provenance d'un canon à électron (comme dans un téléviseur) constituant la cathode (borne négative).

Les collisions entre les électrons émis par la cathode et les atomes de gaz neutres "arrachent" des électrons à ces derniers les transformant en ions positifs (par manque d'électrons puisqu'on leur en a "arraché").

Les électrons sont tout naturellement attirés par l'anode (borne positive), et devraient donc la rejoindre rapidement, ce qui n'est pas vraiment souhaitable.
En effet, pour obtenir une ionisation la plus élevée possible, il faut laisser le temps aux électrons d'avoir un très grand nombre de collisions, il faut donc allonger leur chemin; c'est le role des aimants dont le champs magnétique dévie constamment la trajectoire des électrons (les ions positifs, beaucoup plus lourds puisqu'il s'agit de noyaux d'atomes, sont, de ce fait, nettement moins sensibles à l'influence des aimants).

Les ions positifs sortent ensuite par les orifices de la grille chargée positivement (de toute façon, ils n'ont pas le choix, c'est la seule issue), et sont accélérés fortement par le champs électrique entre les deux grilles.

Un autre canon à électron rejette, à la sortie du moteur, les électrons qui avaient été "arrachés" aux atomes de gaz neutres.

La vitesse relative entre ces électrons et les ions positifs éjectés étant plus faible une recombinaison est possible qui les "neutralise" électriquement. Au final, le vaisseau, le moteur, et le jet de particules éjectées restent neutre.

Une version légèrement différente:

Le xénon est injecté depuis la périphérie en direction de la cathode (canon à électron) pour allonger son "temps de présence" dans le propulseur, et ainsi augmenter ses chances d'être d'avantage encore ionisé.

Il existe encore une autre variante, utilisée par exemple sur la sonde Smart1, qui utilise l'effet Hall en lieu et place du système de grilles.

Petit rappel sur l'effet Hall.

L'effet Hall est une conséquence de la force de Lorentz.
Cette dernière désigne la force électromagnétique agissant sur une particule chargée qui interagit avec un champs magnétique accompagné ou non d'un champs électrique.
Avec champs électrique: .
En l'absence de champs électrique, l'expression de la force est la même que la force de Laplace.
Sans champs électrique: .

Le vecteur F, c'est la force.
q, c'est la charge de la particule.
Le vecteur E, c'est le champs électrique.
Le vecteur v, c'est la vitesse de déplacement de la particule.
Le vecteur B, c'est le champs magnétique.
Le "V" retourné est le signe du produit vectoriel, qui est de plus en plus souvent remplacé par la simple croix (X).

Le dessin ci-dessous représente la déviation d'une particule en présence d'un champs magnétique (B).

On y voit que la déviation se fait en sens opposés selon le signe de la charge (négative ou positive), et qu'une particule neutre n'est pas déviée.
On y voit aussi qu'une particule "prisonnière d'un champs magnétique décrit une trajectoire circulaire dans ce champs (c'est ainsi qu'un confinement magnétique est possible, rappelez-vous).

Ici, l'orientation du champs magnétique (B) est telle qu'il "sort" de l'écran.

Voici un autre dessin, peut-être encore plus clair, montrant la trajectoire déviée d'une particule dans l'entrefer d'un aimant, et le sens de cette déviation selon la charge (+ ou -).

La couleur rouge est attribuée à la particule positive, et au pôle nord (magnétique).
La couleur bleue est attribuée à la particule négative, et au pôle sud (magnétique).

Si on remplace les particules libres par un plaque en matériaux conducteur parcourue par un courant électrique, et que l'on place cette plaque de manière à couper les lignes de champs magnétique dans le même entrefer, on obtient ça:

Les électrons étant chargés négativement, ils sont déviés comme sur le dessin.

La déviation des électrons entraine une sorte "d'accumulation" près du bord inférieur de la plaque, et par conséquent un "déficit" près de l'autre bord.

Le résultat est l'apparition d'une différence de potentiel (une tension) entre les deux bords de la plaque.

L'effet est nettement plus fort si la plaque est faite d'un matériaux semi-conducteur plutôt que conducteur.

Voyons maintenant comment utiliser cet effet dans un propulseur ionique......à la page suivante.