Une équipe de recherche du Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis teste un nouveau système de propulsion aérospatiale qui devrait améliorer considérablement les capacités d'exploration de l'espace lointain des microsatellites. Ce système intègre deux formes de propulsion distinctes sur une même plateforme, permettant au satellite d'effectuer à la fois des manœuvres rapides et des vols longue distance efficaces.
Au cœur de la conception se trouve un propulseur unique capable d’alimenter à la fois la propulsion chimique et électrique. Traditionnellement, les deux types de systèmes nécessitent souvent des unités de carburant et de propulsion indépendantes, qui sont non seulement de structure complexe, mais occupent également un volume de cabine précieux. Amelia Bruno, l'une des responsables de la recherche et qui a travaillé auparavant au MIT Aeronautics and Astronautics (AeroAstro), a déclaré que si la propulsion chimique et électrique peut être réalisée en même temps sur une petite plate-forme, "cela équivaut à avoir les avantages des deux technologies", permettant aux petits satellites d'effectuer des observations scientifiques et des tâches plus complexes sur des plates-formes plus petites et moins chères.
Des résultats pertinents ont été publiés dans le Journal of Propulsion and Power parrainé par l'American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA). L'article montre qu'un monoergol relativement respectueux de l'environnement, développé à l'origine par l'US Air Force pour la propulsion chimique, peut être utilisé avec succès pour entraîner un dispositif de propulsion électrique miniature - un propulseur dit « à électrospray ».
Le propulseur à réaction électrostatique est un propulseur électrique extrêmement petit, de la taille d’une pièce de monnaie ou même d’un ongle. Il fonctionne en utilisant un champ électrique pour charger des particules dans un propulseur liquide, puis en éjectant ces particules chargées hors de l'appareil pour générer une poussée. Ce type de propulseur a une efficacité de consommation de carburant extrêmement élevée et convient pour effectuer un contrôle d'attitude lent et précis et un réglage fin de l'orbite. Il peut fournir des incréments de vitesse cumulés au vaisseau spatial sur une longue période et convient parfaitement aux missions dans l’espace lointain et de longue endurance.
En revanche, les propulseurs chimiques fournissent une poussée élevée sur une courte période et conviennent aux scénarios de manœuvres exigeants tels qu’une accélération rapide et des changements brusques d’orbite. L’équipe du MIT estime que si un propulseur commun adapté à la propulsion chimique et électrique pouvait être trouvé, les petits satellites bénéficieraient d’une flexibilité sans précédent dans la conception de leurs missions. Ils travaillent actuellement avec la National Aeronautics and Space Administration (NASA) pour préparer la vérification en orbite dans le cadre d'une mission appelée « Green Propulsion Dual Mode (GPDM) ».
La mission GPDM utilise un CubeSat de la taille d'une mallette, équipé d'un propulseur à buse chimique et de quatre propulseurs à réaction électrostatiques, partageant le même réservoir de propulseur. Il s’agira du premier test en orbite d’un tel système de propulsion bimode sur une petite plateforme satellite. Bruno a souligné que si la mission réussit, elle jettera les bases du futur concept d'utilisation de plates-formes compactes pour l'exploration de l'espace lointain, comme l'envoi de satellites cubes vers Mars ou même la ceinture d'astéroïdes, « dérivant lentement » grâce à la propulsion électrique pour effectuer des vols longue distance, puis utilisant la propulsion chimique pour manœuvrer et se positionner rapidement près de la cible.
Paulo Lozano, l'un des co-auteurs de l'article et professeur de la chaire Miguel Alemán Velasco à l'École d'aéronautique et d'astronautique du MIT, a déclaré que dans ce nouveau mode, CubeSat peut effectuer une détection complexe comme un « avion de reconnaissance de l'espace lointain » : d'abord utiliser un spray électrostatique pour pousser à proximité de la cible pendant une longue période, puis utiliser la propulsion chimique pour manœuvrer rapidement afin d'effectuer des observations rapprochées multi-angles du terrain ou des phénomènes d'intérêt. De cette manière, la flexibilité de planification de mission des petits détecteurs sera considérablement améliorée.
Lozano dirige un laboratoire qui se concentre depuis longtemps sur le développement de systèmes de propulsion électrostatique à réaction pour les satellites allant de la taille d'une boîte à lunch aux petits bagages à main. Par rapport aux grands satellites traditionnels, le coût de lancement de ce type de petit engin spatial est nettement inférieur, mais les exigences en matière de volume et de masse sont extrêmement strictes, le système de propulsion doit donc être très compact. La technologie de pulvérisation électrostatique répond à cette demande : le corps du propulseur développé par l’équipe du MIT n’a que la taille d’un ongle, installé sur un minuscule réservoir de stockage de liquide et rempli de propulseur liquide ionique.
Après avoir été mis sous tension, le propulseur applique une tension aux ions dans la solution de stockage, les chargeant et les éjectant à travers la structure émettrice de micro-jets pour former un faisceau d'ions continu et stable. Au cours de la dernière décennie, l’équipe a testé diverses structures de propulseurs et formulations de propulseurs, en se concentrant sur des matériaux tels que les « liquides ioniques ». Ce type de liquide à base de sel peut rester liquide dans des environnements extrêmes et est également stable dans les conditions sous vide et cryogéniques de l'espace, ce qui le rend très approprié comme milieu de travail pour les systèmes de propulsion électrique.
Bruno a déclaré que les liquides ioniques sont essentiellement « un océan liquide rempli d'ions », ce qui convient à la technologie de pulvérisation électrostatique pour en extraire des ions afin de former un jet. Contrairement aux autres propulseurs courants de la même période, les liquides ioniques ne sont pas volatils, ce qui les rend plus sûrs à manipuler et réduit les risques liés aux essais au sol et aux opérations en orbite.
Dans cette étude, les équipes de Bruno et Lozano ont collaboré avec l'US Air Force pour introduire un nouveau propulseur liquide ionique appelé « ASCENT » (Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic). ASCENT a été initialement développé pour les systèmes de propulsion chimique spatiale afin de remplacer le carburant hydrazine hautement toxique mais largement utilisé, améliorant ainsi la sécurité et la protection de l'environnement tout en garantissant la densité énergétique.
Comme ASCENT lui-même est un mélange de liquides ioniques, l’équipe du MIT a émis l’hypothèse qu’il devrait être utilisé dans des systèmes de pulvérisation électrostatique et a donc lancé une vérification expérimentale systématique. Dans l’expérience, les chercheurs ont injecté ASCENT dans de petits réservoirs de stockage de liquide en forme de cube. Le volume de chaque réservoir est à peu près le même qu’une brique Lego. La masse du propulseur rempli est d'environ 1 gramme et la viscosité est proche de celle de l'huile pour bébé.
Des propulseurs à réaction électrostatiques équipés d'ASCENT ont été installés des deux côtés d'un CubeSat, et l'ensemble du dispositif a été placé dans une plate-forme de test de « lévitation magnétique (MagLev) » sur mesure. La plate-forme est située dans une chambre à vide et utilise le magnétisme pour faire léviter partiellement le satellite, simulant ainsi l'environnement sans friction de l'espace. L’équipe de recherche pilote les propulseurs dans différentes conditions de tension afin que le couple généré par le jet entraîne le satellite à tourner lentement comme un gyroscope, et mesure la réponse en rotation pour inverser le niveau de poussée et l’efficacité de la propulsion.
Les résultats des tests montrent qu'ASCENT peut piloter de manière stable des propulseurs à réaction électrostatiques et que ses performances sont équivalentes à celles des propulseurs liquides ioniques à propulsion électrique actuellement couramment utilisés. Lors d'expériences de fonctionnement continu d'une durée d'environ 100 heures, le système a montré une bonne stabilité et durabilité. Bruno a déclaré que par rapport aux propulseurs électrostatiques traditionnels couramment utilisés dans les laboratoires, ASCENT offre des performances de poussée similaires. "Après avoir confirmé la compatibilité, nous pouvons réfléchir davantage à la manière de continuer à optimiser les performances du système sur cette base."
Étant donné qu’ASCENT peut être utilisé à la fois pour la propulsion chimique et pour l’énergie des systèmes de propulsion électriques tels que l’injection électrostatique, les futurs engins spatiaux pourront alimenter simultanément les deux types de systèmes de propulsion via un seul réservoir de propulseur. Cette conception simplifie grandement la configuration globale, tout en réduisant le nombre de canalisations et de réservoirs de stockage, tout en conservant les avantages respectifs des deux types de technologies de propulsion. Le MIT et la NASA prévoient d'effectuer la première mesure spatiale réelle dans le cadre de la mission CubeSat à « propulsion verte bimode » lancée en novembre de cette année. Ce sera également la première fois qu'un satellite disposera de véritables « réservoirs de propulseur partagés ».
Lozano a souligné que cette technologie n'est pas seulement adaptée à l'exploration interstellaire, mais qu'elle aura également un impact important sur les missions proches de la Terre, telles que la surveillance météorologique et les constellations d'observation du climat. Par exemple, il a expliqué que lorsqu'une violente tempête est sur le point de se produire à un certain endroit, l'opérateur peut rapidement manœuvrer un groupe de petits satellites au-dessus de la zone cible en fonction des besoins d'observation, ou ajuster lentement l'orbite sur une période de temps plus longue ; cette méthode de déploiement « à vitesse et lenteur contrôlables » n'est réalisable que lorsque la propulsion chimique à forte poussée et la propulsion électrique à haut rendement sont disponibles, et le système bimode en fournit la base technique.
Cette recherche, intitulée « Caractérisation des performances des propulseurs électrospray avec monopropellant liquide ionique énergétique » (Caractérisation des performances des propulseurs électrospray avec monopropellant liquide ionique énergétique), a été publiée dans le « Journal of Propulsion and Power » le 31 mai 2026. La recherche a également été partiellement financée par la NASA.