Le nouveau moteur de satellite « à air » peut être directement inhalé dans l'atmosphère terrestre comme carburant et pourrait rester en orbite indéfiniment à l'avenir.

Résumé :

Un nouveau moteur de satellite capable d'utiliser directement la haute atmosphère terrestre comme propulseur attire l'attention de l'industrie aérospatiale.

Le concept est issu des travaux de doctorat de Francesco Romano, chercheur à l'Université de Stuttgart en Allemagne. L'idée principale est de convertir les molécules atmosphériques qui ralentissaient à l'origine le satellite en carburant pour le système de propulsion, transformant ainsi les facteurs qui entravent le fonctionnement du satellite en source d'énergie nécessaire au maintien de l'orbite.

Dans la région de l'orbite terrestre ultra basse, située entre 100 et 450 kilomètres de la Terre, les satellites peuvent bénéficier de nombreux avantages uniques. Étant plus proches du sol, les équipements de télédétection peuvent capturer des images plus claires, et les systèmes de communication et radar nécessitent beaucoup moins d’énergie. Dans le même temps, la résistance atmosphérique dans cette zone peut également naturellement ramener le satellite dans l'atmosphère et le brûler une fois mis au rebut, réduisant ainsi le problème de l'accumulation à long terme de débris spatiaux.

Cependant, ces avantages s’accompagnent d’un sérieux inconvénient.

Même à des centaines de kilomètres d'altitude, l'atmosphère résiduelle continuera à ralentir les satellites. Si la poussée n'est pas continuellement renouvelée, l'altitude orbitale du satellite diminuera progressivement et finira par tomber dans l'atmosphère. Par conséquent, les satellites opérant actuellement sur des orbites inférieures s’appuient généralement sur des systèmes de propulsion embarqués pour effectuer des corrections régulières d’orbite, et ces systèmes de propulsion doivent disposer de réserves de carburant limitées.

Les systèmes de propulsion électrique traditionnels utilisent principalement des propulseurs coûteux tels que le xénon. Une fois le carburant épuisé, la durée de vie de la mission du satellite est généralement contrainte de prendre fin, que le satellite lui-même soit encore intact ou non.

La solution proposée par Romano appartient au « système de propulsion électrique à respiration atmosphérique ». Contrairement aux méthodes traditionnelles, ce système collecte directement la fine atmosphère venant en sens inverse pendant le vol, introduit les molécules de gaz dans le moteur, puis utilise un champ électrique pour convertir ces molécules en plasma, qui est ensuite éjecté vers l'arrière pour générer une propulsion.

Théoriquement, tant que le satellite est toujours à une altitude orbitale avec du gaz résiduel, il peut continuer à obtenir une source de propulseur sans avoir à transporter une grande quantité de carburant supplémentaire.

Cependant, transformer cette idée apparemment simple en réalité n’est pas facile.

Les chercheurs soulignent que l'un des plus grands défis dans les environnements en orbite ultra basse vient de l'oxygène atomique. Dans la haute atmosphère, la lumière ultraviolette décompose l’oxygène ordinaire en oxygène monoatomique. Cette substance a une capacité oxydante extrêmement forte et corrodera rapidement les composants clés tels que les électrodes métalliques, les grilles accélératrices et les cathodes des moteurs ioniques traditionnels.

En particulier, le système cathodique, responsable de la neutralisation de la charge, est le plus susceptible d'être endommagé. Une fois la cathode défaillante, le satellite ne pourra plus libérer normalement de particules chargées et le système de propulsion perdra également sa fonction.

De plus, la haute atmosphère n’est pas un environnement stable. La densité du gaz fluctue en fonction des changements de jour et de nuit, de l'activité solaire et de la position orbitale, ce qui augmente encore la difficulté de conception du système de propulsion.

Afin de résoudre ces problèmes, Romano a conçu un nouveau type de propulseur à plasma à ondes spirales radiofréquence. Par rapport aux moteurs ioniques traditionnels, cette conception ne repose pas sur des neutralisants ni sur des systèmes cathodiques sensibles à la corrosion, et réalise les tâches de propulsion en générant un jet de plasma quasi neutre contenant à la fois des ions positifs et négatifs.

L'équipe de recherche a également développé des structures spécialisées de collecte atmosphérique. Le plus efficace est un dispositif d’admission d’air doté d’une structure de miroir parabolique. Lors d'expériences, cette conception a permis de capturer environ 94,3 % des molécules de gaz venant en sens inverse. Même si l'attitude du satellite s'écarte dans une certaine mesure, la baisse de l'efficacité de la collecte est relativement limitée.

La partie centrale du propulseur adopte une conception structurelle similaire à « l'antenne cage à oiseaux » des équipements d'imagerie par résonance magnétique. Les résultats des tests montrent que cette solution peut transmettre environ 99 % de l'énergie radiofréquence dans le propulseur, réduisant ainsi considérablement la perte d'énergie causée par la structure de bobine traditionnelle.

Les résultats de simulation en laboratoire montrent que le système de propulsion ne nécessite que 50 à 60 watts de puissance pour former un flux de plasma stable, et que dans un environnement orbital réel, la puissance requise pour maintenir un fonctionnement continu devrait être inférieure à 1,6 kilowatts. Les chercheurs pensent que cette demande peut être entièrement satisfaite par des panneaux solaires ordinaires.

Selon les calculs du modèle, si les performances du système répondent aux attentes, le satellite peut maintenir une orbite à une altitude d'environ 190 à 250 kilomètres pendant une longue période sans avoir besoin de réapprovisionner les propulseurs traditionnels. Cela signifie non seulement que la durée de vie de la mission peut être considérablement prolongée, mais que la qualité du lancement et le coût de la mission peuvent également être réduits.

Les chercheurs ont souligné que cette technologie est encore au stade de vérification expérimentale et de modélisation théorique et n'a pas encore été testée par des missions spatiales réelles. Sa fiabilité à long terme, son adaptabilité à l’environnement orbital et son efficacité réelle de propulsion doivent encore être vérifiées.

Malgré cela, l'industrie estime généralement que les systèmes de propulsion respiratoire atmosphérique représentent une direction importante pour le développement de satellites en orbite ultra basse. Si elle est déployée avec succès à l'avenir, la prochaine génération de satellites d'observation de la Terre, de satellites de communication et même d'autres sondes planétaires devraient s'appuyer sur le gaz naturel présent dans l'environnement pour maintenir leurs opérations, éliminant ainsi la dépendance aux propulseurs traditionnels.