L'espace à portée de plasma

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La conquête spatiale réclame en permanence des moteurs plus performants. Justement, des chercheurs du CNRS viennent de breveter un nouveau procédé de propulsion par plasma... plus simple mais aussi plus efficace.

Les yeux levés vers le ciel, avec un rêve : la conquête du système solaire ! À travers le monde, des spécialistes s'ingénient à faire voler, toujours plus loin, sondes et vaisseaux...

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[tokamac]

Il ne faut pas confondre propulseur "à plasma" proprement dit et propulseur ionique, plus facile et moins cher à concevoir mais qui dispose d'une poussée moindre.
D'ailleurs, l'Europe n'étudie pas réellement les propulseurs spatiaux à plasma. C'est un domaine pour le moment réservé -de longue date- surtout à la Russie et aux USA.


Quelles en sont les différences ?


PROPULSEUR À PLASMA
Un propulseur à plasma est un propulseur électromagnétique, qui utilise la Force de Lorentz pour accélérer dans la même direction toutes les particules chargées (ions positifs, ions négatifs, électrons libres) et via le jeu des interactions entre particules, également les atomes neutres : bref, tout le fluide dans son ensemble.
L'impulsion spécifique (ips) est élevée et la poussée forte (quelques centaines de Newtons)
Les accélérateurs électromagnétiques à plasma peuvent être :
-à conduction : utilisation d'électrodes créant un champ électrique en conjonction avec des solénoïdes créant un fort champ magnétique orthogonal dans le fluide ionisé, les deux champs interagissant pour donner des Forces de Lorentz propulsives,
ou
- à induction : utilisation d'un très fort champ magnétique variable, sans électrodes, créant dans le fluide un courant électrique induit entrant en interaction avec son propre champ magnétique induit et avec le champ magnétique ambiant émis par les bobines, via la Force de Lorentz.

Il en existe de multiples configuration géométriques : radiale, à tuyères de Faraday linéraires de section carrée, circulaire, annulaire... à effet Hall fort ou faible, etc...
Voir par exemple le prototype VASIMR et son schéma détaillé, encore que ce projet s'apparente finalement en grande partie à un propulseur de type électrothermique à chauffage RF et à confinement magnétique du plasma, et pas à un pur accélérateur MHD.

Les accélérateurs électromagnétiques à plasma spatiaux sont des propulseurs MHD-gaz (magnétohydrodynamique) à "nombre de Reynolds magnétique élevé", c'est-à-dire où le milieu ionisé est chaud et en très lié aux lignes de champ magnétique (ne pas confondre avec les plasmas froids utilisés dans les recherches sur la propulsion électromagnétique atmosphérique !)
Les Américains sont assez impliqués dans ces concepts pour en avoir carrément donné un nom dérivé encore plus précisément adapté au contexte : "MPD thrusters" (magnetoplasmadynamic).
Mais les propulseurs MPD à conduction ou à induction, pulsés ou non, nécessitent des générateurs électriques fournissant quelques megawatts... Même le futur Projet nucléaire "Prometheus" initié par G.W. Bush pour la relance de la conquête spatiale ne pourra fournir que quelques centaines de kilowatts. C'est la raison pour laquelle aucun appareil n'a encore été officiellement conçu avec un système MPD, et qu'on s'oriente pour le moment vers des systèmes comme VASIMR (actuellement ce qu'on sait faire de mieux en impulsion spécifique et poussées élevées).


PROPULSEUR IONIQUE
Un propulseur ionique est un propulseur électrostatique, qui utilise "simplement" un champ électromoteur (électrique) pour accélérer une seule population de particules de faible densité, prélevées dans un plasma plus dense : classiquement des ions positifs (avec réintégration de leur électron à la sortie).
L'impulsion spécifique est élevée, mais la poussée infime.



Alors, à quelle catégorie appartient le système Pegases décrit dans la news ?
Au propulseur ionique, même s'il emprunte des éléments aux systèmes électromagnétiques (comme ce solénoïde).
L'innovation est ici que les deux populations (ions positifs et négatifs) sont accélérées électriquement, indépendamment l'une de l'autre et en parallèle par un systèmes à très haute tension (et cela évite d'avoir à réintégrer ensuite les électrons libres). Mais cela reste du ionique.

La news ne l'explique pas correctement, mais en allant chercher les infos à la source* on s'aperçoit que l'idée est que le champ magnétique du solénoïde n'est pas variable et ne sert pas du tout à accélérer un quelconque plasma (il est d'ailleurs trop ridicule pour ça : environ 250 gauss). Il a un rôle de confinement du plasma à la sortie du tube (par un effet MHD non-linéaire) en deux "couches confinées de plasma électrisées sans courant à haute ddp" (les chercheurs conseillent d'imaginer intuitivement ces "barrières de potentiels à très haute tension" comme deux "ondes de choc" stables ou des "cascades d'eau" statiques chargées électriquement).
Ces deux couches de gaz ionisé HT servent à :
- empêcher au plasma de s'échapper du tube
- éliminer la classique grille accélératrice à haute tension, supprimant l'érosion de celle-ci, et en conséquence :
- accélérer les ions positifs et négatifs qui s'échappent du plasma (qui lui reste fixe dans le tube !) et traversent les barrières de sortie, assurant la propulsion (ionique).




Pour résumer le différences entre les deux approches idéologiques plasma/ionique :

En Europe, on parle propulsion électrique ionique et on utilise des tubes en pensant millimètres, gauss, millinewtons, grammes, électronvolts et watts, pour envisager des sondes spatiales à faible consommation sur des longues durées de fonctionnement.

Aux USA, on parle propulsion électromagnétique à plasma et on utilise des tuyères en pensant mètres, teslas, newtons, tonnes, joules et megawatts, et on envisage des vaisseaux spatiaux à durée de voyage réduite pour l'exploration humaine de Mars.



* Le brevet du LPTP n'étant apparemment pas encore publié ni détaillé sur leur site web, mes explications peuvent ne pas prendre en compte certains éléments importants.