Moteur ionique

[EspritTordu]

En parcourant internet sur quelques pages, j'ai pris connaissance des différentes technologies de la propulsion ionique.
Voila ce que j'en ai résumé : ces sont des accélérateurs de particules, non?
Dans ce cas là (je parle des moteurs à grille et des moteurs à "effet hall" particulièrement), pourquoi ne pas faire passer le flux de particules accélérées plusieurs fois dans le même système d'accélération -comme dans un cyclotron- et ainsi atteindre de grande vitesse et une plus importante énergie cinétique ?

:? Je me suis bien posé des contre-argurments (je fais les questions et les réponses !) comme l'énergie nécessaire à des bobines magnétiques (outre le poids embarqué supplémentaire nécessaire) serait trop importante, ou bien que l'accélération des particules dégénère en plasma d'où une production de chaleur incontrôlable...

Que des avis sans réponse exacte en fait... même si les propulseurs à effet hall disposent par leur fonctionnement déjà de bobines magnétiques...

Enfin si quelqu'un peut répondre à cette curiosité en m'éclaircissant les idées merci d'avance !

[Lambda0]

Problème d'encombrement je suppose.
Le mieux pour s'en convaincre est de calculer le rayon de gyration d'une particule dans un champ magnétique: R=mv/qB
Prendre par exemple v=50000m/s (vitesse d'éjection typique d'un moteur ionique), et des valeurs de B raisonnables.
m=masse de l'ion [kg]
v=vitesse [m/s]
q=1.6E-19 C
B=champ magnétique [Tesla]

Pour des ions léger (H ou Lithium), on a encore des valeurs raisonnables, mais pour des ions lourds (Xénon par exemple), ça devient vite rédhibitoire.
Mais l'idée est peut-être viable dans l'avenir, avec H ou Li, au moins en théorie. D'autant plus qu'on ne cherche pas à accélérer les particules à des vitesses relativistes.

A+

[melchisedec]

Envoyé par EspritTordu

En parcourant internet sur quelques pages, j'ai pris connaissance des différentes technologies de la propulsion ionique.
Voila ce que j'en ai résumé : ces sont des accélérateurs de particules, non?
Dans ce cas là (je parle des moteurs à grille et des moteurs à "effet hall" particulièrement), pourquoi ne pas faire passer le flux de particules accélérées plusieurs fois dans le même système d'accélération -comme dans un cyclotron- et ainsi atteindre de grande vitesse et une plus importante énergie cinétique ?

:? Je me suis bien posé des contre-argurments (je fais les questions et les réponses !) comme l'énergie nécessaire à des bobines magnétiques (outre le poids embarqué supplémentaire nécessaire) serait trop importante, ou bien que l'accélération des particules dégénère en plasma d'où une production de chaleur incontrôlable...

Que des avis sans réponse exacte en fait... même si les propulseurs à effet hall disposent par leur fonctionnement déjà de bobines magnétiques...

Enfin si quelqu'un peut répondre à cette curiosité en m'éclaircissant les idées merci d'avance !

Je dis surement une bêtise mais si tu accélère plus longtemps, tu as certes une vitesse plus grande, mais tu consommes davantage aussi.

Et puis je m'excuse mais le moteur ionique c'est pas nouveau ça fait plus de 40 ans que ça existe, je suis étonné que tu n'aies pas trouvé tous les schémas possibles et imaginables sur le net.

[Korgox]

Bonsoir,

Est-ce qu'il existe une application du moteur ionique ou c'est juste pour faire du starwars dans le salon ? Dans quel domaine surpasse-t-il les moteurs conventionnels ? (si il existe )

[Lambda0]

Pour ce qui est de la puissance nécessaire, elle croit comme le carré de la vitesse des particules, alors que la poussée produite est proportionnelle. Ca peut donc aller assez vite.
En faisant le calcul, le rayon de gyration n'est pas vraiment un problème, pour des éléments assez léger.
On prend les données suivantes :
- ions Lithium : M=7g/mol
- B=0.1T
On cherche à accélérer les ions à v=500km/s, soit 10 fois plus qu'un moteur ionique classique.
Le rayon correspondant vaut R=36cm.
Celà ne semble pas irréalisable d'embarquer un tel dispositif sur un vaisseau spatial, même avec tout ce qui va autour : génération du champ magnétique, du champ électrique d'accélération, etc. Et il doit quand même y avoir pas mal de problèmes à gérer, comme la neutralisation de la charge d'espace.

Pour avoir une idée de la puissance nécessaire, supposons qu'on ait un débit de 1g/s. La poussée produite vaut : F=500N
On calcule l'énergie cinétique des particules et la puissance correspondante
=> P=125MW !
Et il ne s'agit que de l'énergie cinétique des particules expulsées.
Compte tenu du rendement électrique, on a besoin d'un réacteur nucléaire de plusieurs centaines de MW, qui pèsera quelques centaines de t. Tout celà pour 500N.

Et pourtant, c'est quand même intéressant !
Tout tient dans la formule de Tsiolkovski.
M=M0.exp(-dV/Ve)
avec:
M0=masse initiale du vaisseau
M=masse finale
dV=gain de vitesse
Ve=vitesse d'éjection
Pour obtenir un dV=50km/s, ce qui est énorme, bien au delà de ce qu'on peut obtenir avec des fusées classiques, on a M/M0=0.90 Donc, le carburant ne représente que 10% de la masse totale, contre plus de 90% pour une fusée à propulsion chimique.

La propulsion ionique n'est absolument pas de la science-fiction, plusieurs sondes spatiales l'ont déjà utilisé, et c'est l'option prioritaire pour la plupart des projets de vols habités interplanétaires.
Celà permet des gains très importants sur les temps de voyage et la charge utile, la pénalité à payer étant d'emporter un réacteur nucléaire assez massif, sauf pour des sondes spatiales (type Deep Space 1 ou Smart 1) où on peut se contenter de panneaux solaires. La poussée obtenue semble très faible, par rapport aux fusées chimiques, mais étant donné le faible débit (1g/s), elle peut être appliquée en continu, pendant des mois ou des années.

Il ne parait pas invraisemblable qu'on récupère un jour la technologie des cyclotrons, développée pour la recherche fondamentale, afin de construire des systèmes de propulsion spatiaux.

A+

[Lord M]

Salut !

Pour les amateurs de BD et de science fiction, il y a un album de Yoko Tsuno (n°19 il me semble) ou elle trouve un vaisseau spatial possédant un accélérateur de particule. Ca donne un design particulier, avec un espèce de gros camenbert au milieu du vaisseau.

Voila, c'est un peu hors sujet, désolé.

[EspritTordu]

P> | E> | F>
+A
A=Aimant permanent (sous E normalement)
P=Flux de particules ionisées
E=Vecteur champ électrique
F=Flux de sortie

Voila un petit schéma (On fait avec les moyens du bord (je ne sais pas comment insérer une image) ? ) pour illustrer ma pensée.
Pour répondre à Korgox (je transcris grosso modo je que j'ai lu sur internet en fait), le moteur ionique est une invention allemande de la seconde guerre mondiale inefficace alors, mais prometteuse. En effet, les grands bénificiaires de cette recherche seront les Russes qui sont aujourd'hui ceux qui, durant ces dernières soixantes années, ont lancé le plus de moteur ionique (près de 65) qui leur servaient de propulseur secondaire pour diriger leur satellite (les russes avaient atteint une grande fiabilité avec le moteur ionique de type "Hall" ).
Néanmoins, ce qui est nouveau et remet le moteur ionique sur le devant de la scène est l'utilisation de ce mode de propulsion non pas comme appoint, mais comme propulseur principal, c'est le cas de la sonde américaine Deep Space 1 et du micro-satellite test français SMART 1.

Il est vrai que la puissance électrique est un problème à bord d'une barquette perdue au fin fond de l'espace ! Pour SMART 1, des panneaux solaires de tailles exceptionnelles on été nécessaire pour seulement 1900 W (un super sèche-cheveux?).
Mais si on continue l'idée d'utiliser le lithium pour sa légéreté (et les conditions de Lamba0 m=masse de 1G, q=charge élementaire de 1G de lithium ionisé B=0.1 Tesla et la vitesse souhaitée v=500 km/s), ne peut-on pas alors utiliser un aimant permanent pour générer ce champ sans fournir de l'énergie fabriquée (je crois qu'on sait construire des aimants permanants de 0.5 T)?
D'autre part, s'il faut fournir quelques MW pour accélérer le 1G de particule à V=500 Km/s, ici on se propose de propulser les mêmes particules -en prenant le temps- par impulsion : le moteur mettra du temps pour démarrer mais une fois parti, il fournira je crois la force de poussée F=500 N imposée par Lamba0 (c'est là que le bas blesse, je ne sais pas comment calculer une force de poussée :confused: si quelqu'un pouvait me glisser la formule au passage ça serait sympa!)

Voilà cela dit, qu'est ce qui pourrait aller en contre-sens de cette idée? Merci d'avance pour vos analyses!

[Lambda0]

Bonjour

Ben en fait, la puissance nécessaire est déterminée par la vitesse d'éjection et le débit, comme la poussée. Pas moyen d'y échapper.
Voici de quoi faire les calculs.

Il suffit d'exprimer la conservation de la quantité de mouvement, en écrivant que la quantité de mouvement du fluide éjecté est égale à la variation de quantité de mouvement du vaisseau.
La poussée vaut :
f = dp/dt = dm/dt.ve
dm/dt = débit massique
ve = vitesse d'éjection

D'autre part, dans le repère du vaisseau, l'énergie cinétique du fluide éjectée vaut E = m.ve²/2
Soit, par unité de temps, une puissance P = dm/dt.ve²/2
Il s'agit là uniquement de l'énergie cinétique du fluide éjecté. Pour connaitre la puissance électrique nécessaire, il faut pondérer cette valeur par le rendement de l'accélérateur. Pour les moteurs ioniques/plasmiques actuels, ce rendement va de 30% à 70%.
En écrivant autrement la formule de Tsiolkovski :
dV(t) = ve.ln(M0/M) = ve.ln(M0/(M0-dm/dt.t))
A débit constant, l'accélération augmente au cours du temps puisque la masse diminue et que la poussée est constante.
La formule donne la vitesse finale atteinte en fonction du temps.

Maintenant, pour ce qui est d'utiliser vraiment un cyclotron (dans sa forme classique) il faut voir que ça mène à des problèmes technologiques assez monstrueux (si on veut obtenir des poussées importantes évidemment) : on parle de centaines de MW concentrés dans un volume très restreint, et il s'agit d'une puissance continue.
Et il y a également le problème de la charge d'espace (les ions positifs se repoussent !). Tu peux aussi calculer le courant généré par le fluide ionisé (connaissant le débit) : probablement des kA, ce qui va générer un champ magnétique peut-être pas négligeable.
On a peut-être finalement intérêt à utiliser un ion plus lourd pour réduire ces problèmes, au prix d'un encombrement plus important.

Mais je pense que le dispositif sera d'abord limité par la charge d'espace, bien avant de l'être par des problèmes de dissipation thermique. A vérifier.
Les moteurs électriques de puissance accélèrent les particules dans un plasma neutre pour neutraliser cette charge d'espace.

A+

[EspritTordu]

Maintenant, pour ce qui est d'utiliser vraiment un cyclotron (dans sa forme classique) il faut voir que ça mène à des problèmes technologiques assez monstrueux (si on veut obtenir des poussées importantes évidemment) : on parle de centaines de MW concentrés dans un volume très restreint, et il s'agit d'une puissance continue.
Et il y a également le problème de la charge d'espace (les ions positifs se repoussent !). Tu peux aussi calculer le courant généré par le fluide ionisé (connaissant le débit) : probablement des kA, ce qui va générer un champ magnétique peut-être pas négligeable.
On a peut-être finalement intérêt à utiliser un ion plus lourd pour réduire ces problèmes, au prix d'un encombrement plus important.

Mais je pense que le dispositif sera d'abord limité par la charge d'espace, bien avant de l'être par des problèmes de dissipation thermique. A vérifier.Les moteurs électriques de puissance accélèrent les particules dans un plasma neutre pour neutraliser cette charge d'espace.

Je ne suis pas spécialiste, mais je ne vois pas en quoi concentrer "quelques MW" de particule orientée et se dirigeant dans le même sens peut entraîner? s'agirait-il de problèmes nucléaires?

Quant à la charge d'espace, cela signifie que le flux de particule obtenu et dirigé par l'aimant est ainsi obligé de se diffuser à cause de la répulsion entre les atomes chargés similairement? Mais dès lors comment les cyclotrons actuels résolvent le problème?

Je ne compends pas comment un flux de particule identiquement chargées peuvent générer un courant (un déplacement d'électron).

Que de questions en fait...

[Lambda0]

Envoyé par EspritTordu

Je ne suis pas spécialiste, mais je ne vois pas en quoi concentrer "quelques MW" de particule orientée et se dirigeant dans le même sens peut entraîner? s'agirait-il de problèmes nucléaires?

Non, non. Faut voir que le rendement du système n'est pas 100%, et que tout ce qui ne sert pas à accélérer les particules doit être dissipé d'une façon ou d'une autre. Et dissiper des MW dans l'espace, c'est pas simple.

Envoyé par EspritTordu

Quant à la charge d'espace, cela signifie que le flux de particule obtenu et dirigé par l'aimant est ainsi obligé de se diffuser à cause de la répulsion entre les atomes chargés similairement? Mais dès lors comment les cyclotrons actuels résolvent le problème?

Je suppose que les flux de particules sont beaucoup plus faible. Demander confirmation à un physicien spécialiste.

Envoyé par EspritTordu

Je ne compends pas comment un flux de particule identiquement chargées peuvent générer un courant (un déplacement d'électron).

On parle aussi bien de courant de charges positives.

A part ça, on utilise bien une résonance cyclotron pour accélérer les particules dans le moteur Vasimr, mais la géométrie est différente.
Il y a bien un champ magnétique axial, qui définit la fréquence de gyration, et une antenne qui impose un champ RF de même fréquence, qui accélère les particules.

Voir :
http://sei2.sei.aero/ACDB/RPDdetails.asp?ID=28

Cette conception résoud le problème de la charge d'espace (c'est un plasma neutre, ions+électrons, qui arrive dans l'étage d'accélération) tout en évitant les pertes par collisions.
Le moteur utilise de l'Hydrogène, mais devrait en principe aussi fonctionner avec du Lithium.

A la sortie de l'étage cyclotron, les particules suivent une trajectoire hélicoidale imposée par le champ magnétique, avec une vitesse axiale assez faible, et c'est une configuration de champ appelée "tuyère magnétique" qui déroule la trajectoire des particules de façon à ce qu'elles quittent le système suivant une trajectoire rectiligne.
C'est donc au niveau de cette tuyère magnétique qu'est effectivement générée la poussée.
Remarquer les radiateurs de dissipation au niveau de l'étage cyclotron.
Il faut produire des champs magnétiques assez musclés, supérieurs à 1T, sans trop de pertes, ce qui impose l'usage de supraconducteurs.
On a donc dans un faible volume (quelques m3) un plasma (jusqu'à 10^7K !), des éléments supraconducteurs à la température de l'azote liquide, des éléments mécaniques à quelques centaines de K...
Autant dire que cet engin n'est pas prêt de voler.
Un prototype est en cours de test aux Etats-Unis.
Un petit prototype de quelques kW devrait être monté sur l'ISS d'ici 2010, mais on n'attend pas de moteur de classe 100MW avant 2020.

A+

[Korgox]

Salut,

Merci pour les réponses
C'est vraiment étonnant comme concept : propulser des tonnes avec des particules :P

[EspritTordu]

Le plasma neutre n'est en fait qu'une accélération mécanique ("de contact à contact") induit par l'excitation par ondes électromagnétiques?

[CaptainCoinCoin]

Bonjour,

Je vais me permettre d'apporter une humble contribution.
J'ai récemment assisté à une conférence sur la conquête de l'espace (si vous voulez les références, contactez moi) et j'en ai retiré quelques infos qui pourraient vous intéresser :

1) Intérêt, avantages et inconvénients sommaires de la propulsion ioniques :

a) Intérêt : le principal intérêt de ce type de propulsion est le fait que peu de "matière" est nécessaire à son fonctionnement et permet ainsi un fonctionnement sur le long terme. Ainsi, il me semble que Deep Space 1 (de meme que SMART1 vers la Lune) l'utilisait.

b) avantages : on maitrise cette technologie.

c) inconvénients : sur des trajets relativement courts (terre - mars) l'interet est restreint puisque l'accélération doit etre fournie rapidement et avec une forte poussée.

Il me semble avoir également compris que c'était la même argumentation qui était développée pour les moteurs nucléaires (de type moteurs à neutrons rapides).

En esperant vous avoir éclairé,
A bientot.

[DanielH]

Je n'ai pas tout lu mais il me semble que tout a été dit sur les moteurs ioniques. Juste une petite précision: Un réacteurs nucléaire pour alimenter un tel moteur c'est non seulement envisageable mais bientôt une réalité. La NASA propose d'envoyer une sonde vers Jupiter entre 2015 et 2020 propulsée de la sorte. voir:
http://www.futura-sciences.com/sinfo...s2902.php?cx=1