2)LE MOTEUR MAGNÉTOPLASMADYNAMIQUE.

IL S'AGIT, DE FAIT, D'UN PROPULSEUR MHD (MAGNÉTOHYDRODYNAMIQUE) DONT LE NOM EST CHOISI POUR INSISTER SUR LE CARACTÈRE PLASMATIQUE DU FLUIDE PROPULSIF.

Avant de décrire le fonctionnement de ce moteur, quelques petits rappels s'imposent.

1)Lorsqu'un courant électrique circule dans un conducteur RECTILIGNE (fil, tige, etc..), un champs magnétique apparait autour de ce conducteur.
Ce champs magnétique prend la forme de cercles concentriques autour du conducteur rectiligne.

Comme vous pouvez le voir sur le dessin ci-dessous, le sens du champs magnétique dépend du sens du courant, c'est la règle du tire-bouchon (où de la vis):
À gauche le courant se dirige vers le haut ou "sort" de l'écran (dévissage),
À droite le courant se dirige vers le bas ou "entre" dans l'écran (vissage).

Remarque: le champs magnétique d'une spire (avec pôles nord et sud) n'est que la conséquence du fait que le fil étant "replié" en boucle, on retrouve côte à côte un fil "sortant" et un fil "rentrant", comme ceci:

Il apparraît alors un champs magnétique "sortant" de la spire au dessus et "entrant" dans la spire en dessous, et donc une polarisation nord sud comme sur un "vrai" aimant.

Dans le moteur MPD, le champs magnétique sera produit par un courant électrique circulant dans une tige parfaitement droite (donc champs magnétique "circulaire" comme des ronds dans l'eau).

2) Comme les moteurs ioniques, ces moteurs ne fonctionnent que dans l'espace (ils ne sont d'ailleurs pas assez puissants pour être utilisés ailleurs), donc dans un milieu où règne une pression extrêmement basse.
À des pressions aussi basses, la tension nécessaire à provoquer l'ionisation d'un gaz n'est pas très élevée (parfois < 400 volts/mm).

Dans le moteur MPD, un courant électrique s'installera entre l'anode (électrode positive) et la cathode (électrode négative), ce courant aura la forme d'une décharge (un arc électrique, si vous préférez), et le gaz ainsi ionisé formera donc un plasma.

Un propulseur MPD se présente extérieurement comme une sorte de cloche qui forme l'électrode positive (l'anode).

Au centre de cette cloche on trouve une tige métallique: c'est la cathode (électrode négative).

Tout autour de la cathode, dans le fond de la cloche, le fluide propulsif est injecté par plusieurs trous; ce fluide propulsif peut-être un gaz, ou un liquide qui s'évapore très vite puisque la pression est très basse.

Entre les deux électrodes, on maintient une différence de potentiel (une tension) suffisante pour ioniser le gaz propulsif et qu'ainsi s'y établisse un courant électrique sous forme d'une décharge (ou d'un arc).

Un champs magnétique en cercle concentrique se forme autour de la cathode lorsqu'un courant y circule (ce qui ne se réalise que lorsqu'une décharge apparait entre l'anode et la cathode).

Le fluide propulsif est injecté par des trous au fond de la cloche (flèches jaunes).

La décharge (ou l'arc) s'établit entre l'extrémité de la cathode (tige centrale) et l'anode (cloche) en s'ouvrant en éventail (ou même en corolle) pour concerner tout le pourtour intérieur de la cloche.

En combinant les deux dessins, on obtient ça:

Ce moteur utilise la force de Lorentz pour accélérer un plasma.
Qui dit force de Lorentz dit champs magnétique (*) et particules électrisées EN MOUVEMENT (**).

(*) Le champs magnétique est produit par le courant électrique circulant dans la tige (cathode), il prend la forme de cercles concentriques autour de cette tige.

(**) Les particules électrisées en mouvement sont les ions qui circulent entre la cloche et la tige, (décharge ou arc).

La décharge électrique est assimilée à un courant d'intensité I allant de la cloche vers la tige, donc de l'anode vers la cathode (sens CONVENTIONNEL du courant).

Dans ces conditions, l'orientation de la force électromagnétique répond à la règle des trois doigts.

La règle des 3 doigts est valable pour un courant électrique en adoptant le sens conventionnel (du + vers le -), ou pour une particule positive en mouvement.

POUR CEUX QUI NE SE SATISFONT PAS DE L'ASSIMILATION DE LA DÉCHARGE À UN COURANT SIMPLE, ET VEULENT CONNAITRE CE QUI SE PASSE AU NIVEAU DES IONS EUX-MÊME.

Sur le dessin ci-dessous, on fait un comparaison entre les forces de déviation agissant sur deux particules, l'une positive (en rouge, à gauche), et l'autre négative (en bleu, à droite) placées dans un champs magnétique B de même orientation (verticale, de bas en haut), et se déplaçant dans la même direction (V).

Constatation: les deux particules sont déviées dans des sens opposés.

Mais après avoir fait pivoter les deux systèmes de manière à ce que le champs (B) et la force (F) de chaque particule pointent dans la même direction, on s'aperçoit que, soumises au même champs, deux particules de charges opposées peuvent être déviées dans la même direction si elles se déplaçaient "à l'origine" en sens inverse l'une de l'autre.

Un arc électrique, ou un décharge diffuse est un milieu ionisé, le "courant électrique" y est, en fait, composé d'ions positifs et négatifs "transportant" leur charge vers l'électrode de signe contraire. On y trouve donc des ions positifs et négatifs se déplaçant en sens inverses les uns des autres, on est donc dans la situation décrite ci-dessus.

Conclusion: que l'on considère la décharge comme un courant électrique auquel on peut appliquer la règle des trois doigts, ou que l'on considère cette même décharge comme un ensemble d'ions positifs et négatifs, la force électromagnétique agissant sur le fluide propulsif (F) sera orientée de la même manière, c'est à dire vers l'extérieur du moteur, c'est à dire comme sur ce dessin récapitulatif:

Un tel moteur peut offrir une impulsion spécifique de près de 10.000 secondes avec une poussée d'environ 200 N pour une puissance électrique d'un mégawatt, par exemple.

Son défaut principal est l'usure prématurée de la cathode soumise au "feu" de la décharge qui peut atteindre plusieurs milliers d'ampères.

Pour corriger, au moins partiellement, ce défaut, on peut modifier tout à la fois la cathode et le système d'injection du fluide propulsif.

La cathode modifiée est faite d'un tube de matériaux isolant dans lequel on trouve plusieur tiges conductrices, et par lequel le fluide propulsif (du lithium, dans ce cas) est injecté.

Une grande partie de l'énergie "thermogène" de l'arc est ainsi récupérée par le fluide propulsif et facilite son ionisation.
Un prototype de ce genre aurait, parait-il, fonctionné 500 heures sans destruction notable de la cathode.

Le propulseur MPD est un "client sérieux" pour la propulsion des futurs vaisseaux d'exploration du système solaire.