Comment un vaisseau spatial électrique pourrait transporter la NASA vers Mars

Propulseur Hall par Aerojet

Un propulseur Aerojet Hall est montré en fonctionnement. (Crédit image : Aerojet)



Les véhicules électriques ne sont pas seulement populaires au sol - il s'avère qu'ils font également fureur dans l'espace ces jours-ci. Bien qu'ils ne soient toujours pas aussi courants que les moteurs d'engins spatiaux chimiques traditionnels, les moteurs électriques gagnent en popularité à la fois pour les satellites en orbite terrestre et les engins spatiaux scientifiques en mission dans l'espace lointain. Et les moteurs électriques pourraient s'avérer être un élément clé de l'objectif de la NASA d'envoyer des personnes sur Mars, selon les experts.



'La maturité des différentes technologies qui composent propulsion électrique y arrive », a déclaré Vlad Hruby, président de la société de moteurs de vaisseaux spatiaux Busek. Hruby a déclaré qu'il attendait une renaissance des engins spatiaux électriques depuis environ 20 ans. « Maintenant, cela se concrétise enfin. »

En 2012, Boeing a introduit une conception de satellite de communication tout électrique appelée 702SP, qui, selon les responsables, est populaire auprès des clients commerciaux. En avril de cette année, le constructeur de satellites Orbital Sciences a déclaré qu'il développer son propre modèle tout électrique concourir. [ Des véhicules électriques pour explorer l'espace lointain (Galerie de photos) ]



Groupe de quatre propulseurs à effet Hall Busek

Groupe de quatre propulseurs à effet Hall Busek(Crédit image: Busek)

Moteurs électriques



Il existe deux manières principales d'alimenter un moteur électrique de vaisseau spatial : via l'énergie solaire absorbée par le soleil, ou via la fission nucléaire. Les deux ont été testés avec succès, bien que la propulsion électrique solaire soit la plus couramment utilisée.

'La puissance des panneaux solaires est de moins en moins chère par watt, de plus en plus efficace', a déclaré Hruby à demokratija.eu. 'Un tas de facteurs convergent pour en faire enfin la méthode préférée.' [En rapport: Voitures électriques sur Terre et sur Mars : comment elles s'empilent ]

Les moteurs électriques des engins spatiaux volent sous diverses formes depuis des décennies. Dans les années 1970, l'Union soviétique a été la pionnière de la technologie des propulseurs à effet Hall, qui reste le type le plus courant de moteur de vaisseau spatial électrique. Les propulseurs à effet Hall utilisent des champs électriques et magnétiques pour convertir les atomes neutres d'un propulseur en atomes chargés, appelés ions, puis accélèrent les ions pour produire une poussée.



'Vous avez un réseau électrique maintenu à une certaine tension', a expliqué Nathaniel Fisch, responsable du projet Hall Thruster Experiment au Princeton Plasma Physics Laboratory à Princeton, N.J. 'Vous formez un plasma et accélérez les ions dans le plasma. Ensuite, les ions seraient éjectés à la tension que vous mettez entre la grille et le plasma.'

Le vaisseau spatial japonais Hayabusa, qui a été lancé en 2003 pour rencontrer l'astéroïde Itokawa, a utilisé une propulsion électrique, tout comme le vaisseau spatial Dawn de la NASA, qui a visité l'astéroïde, qui a décollé en 2007.

Ce type de moteur a tendance à être beaucoup plus économe en carburant qu'un moteur de fusée chimique typique, qui utilise l'énergie créée par les réactions chimiques entre deux produits chimiques - un carburant et un oxydant - pour créer une poussée.

'La propulsion électrique est l'approche de propulsion la plus efficace que nous connaissions actuellement', a déclaré Christian Carpenter, architecte spatial au département Systèmes d'exploration de la société de moteurs de fusée Aerojet. 'Il a généralement deux fois ou plus d'économies de propulseur - c'est démontré.'

Économiser tout ce propulseur signifie que les engins spatiaux électriques peuvent peser beaucoup moins que les engins spatiaux chimiques. Ces économies de masse signifient que le même satellite peut être lancé sur une fusée plus petite et moins chère, ou que la masse supplémentaire pourrait être utilisée pour ajouter plus d'instruments au vaisseau spatial, comme l'ajout de transpondeurs supplémentaires aux satellites de communication.

L'inconvénient est que cette efficacité énergétique se fait souvent au détriment de la puissance de poussée, de sorte que les engins spatiaux à propulsion électrique accélèrent plus lentement et prennent plus de temps pour atteindre la même destination. (Ils pourraient être conçus pour produire la même poussée que les moteurs chimiques, mais nécessiteraient alors plus de puissance que les panneaux solaires actuels ne sont capables de fournir.)

'La façon dont nous pensons aux choses est que votre efficacité énergétique fonctionne sur la réduction de la masse de votre véhicule au détriment de la chute de votre poussée, ce qui signifie des temps de trajet plus longs', a déclaré Carpenter. « Il y a un équilibre entre la réduction de la masse et l'augmentation du temps de trajet. C'est à l'architecte du système de trouver le bon équilibre.

Missions vers Mars

Un système de propulsion Hall Thruster fabriqué par Aerojet est montré ici.

Un système de propulsion Hall Thruster fabriqué par Aerojet est montré ici.(Crédit image : Aerojet)

Cet équilibre est l'une des questions clés auxquelles la NASA est confrontée lorsqu'elle envisage d'envoyer des personnes sur un astéroïde, puis sur Mars d'ici le milieu des années 2030 – un objectif défini par le président Barack Obama.

Carpenter et d'autres ont récemment préconisé une combinaison de propulsion chimique et électrique pour une mission habitée sur Mars au Sommet Humans 2 Mars Le 7 mai à Washington, DC Les moteurs chimiques pourraient être utilisés pour propulser un équipage vers la planète rouge dans environ six mois, a déclaré Carpenter, mais l'habitat, les fournitures et l'équipement dont ils ont besoin pourraient être envoyés à l'avance sur un cargo électrique, dans un voyage qui prendrait probablement environ deux ans et demi.

'Les gens doivent pouvoir se rendre à destination dans un délai raisonnable', a-t-il déclaré. «Ils veulent faire leur mission, pas y aller. Les moteurs chimiques fournissent des poussées élevées, mais ce n'est pas le moyen le plus économe en carburant de le faire.

En revanche, la propulsion électrique solaire, par exemple, pourrait être parfaite pour la mission de fret sans pilote. 'Pour le fret, vous pouvez prendre votre temps et vous pouvez faire les choses efficacement', a déclaré Carpenter. « Nous sommes intéressés par toutes les options. Il n'y a vraiment pas une technologie miracle pour aller sur Mars, c'est un portefeuille.'

À long terme, a-t-il dit, l'énergie nucléaire moteurs électriques peut s'avérer parmi les meilleures options pour se rendre sur Mars, mais cette technologie n'est pas encore prête. Actuellement, l'équipement pour conduire la fission nucléaire est trop massif et nécessite de l'hydrogène combustible, qui est difficile à stocker pendant de longues périodes, a déclaré Carpenter. Un vaisseau spatial viable à propulsion nucléaire n'a pas encore été piloté.

'À plus long terme, les fusées nucléaires fournissent environ deux fois la consommation de carburant d'un moteur chimique mais la même poussée ou une poussée plus élevée', a déclaré Carpenter. « Vous pouvez toujours vous y rendre rapidement, mais consommez deux fois moins de carburant. Nous pensons à l'horizon, le nucléaire sera finalement le meilleur système de livraison d'équipage.

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