Un moteur ultra-compact permettra à de petits satellites de gambader librement autour de la Terre et au-delà. Le premier prototype vient de sortir des laboratoires de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (E.P.F.L.). Les chercheurs ont pour ambition de baisser drastiquement les coûts de l’exploration spatiale.
Un décilitre de carburant pour atteindre la Lune ? Grâce au moteur ionique MicroThrust, les chercheurs de l’EPFL et leurs partenaires européens comptent inaugurer l’ère de l’exploration spatiale low-cost. Avec quelques centaines de grammes tout au plus, le dispositif est conçu pour prendre place dans de petits satellites, d’un poids compris entre un et 100 kilos. Il leur permettra de changer d’orbite terrestre, ou de rejoindre des destinations plus lointaines – des fonctions d’ordinaire réservées à de grands et coûteux engins spatiaux. Un premier prototype vient de sortir des laboratoires. Le système est d’ores et déjà pressenti pour équiper CleanSpace One – un nanosatellite nettoyeur de débris spatiaux également conçu à l’EPFL – ainsi que l’essaim de nanosatellites hollandais OLFAR, qui ira traquer les ondes d’ultra-basse fréquence derrière la Lune.
Le moteur est conçu pour être logé dans un satellite aussi compact que 10 centimètres de côté. Le prototype ne pèse qu’environ 200 grammes, carburant compris.
«Pour l’instant, les nano-satellites sont coincés dans leur orbite. Notre objectif, c’est de les en libérer», explique Herbert Shea, coordinateur du projet européen MicroThrust et directeur du Laboratoire de microsystèmes pour les technologies spatiales de l’EPFL. Les petits satellites ont le vent en poupe. Les coûts de fabrication et de lancement, notamment, sont moindres – à partir d’un demi-million de francs contre plusieurs centaines pour des satellites conventionnels. Mais il leur manque encore le système de propulsion qui les rendrait véritablement autonomes, pour des missions d’exploration ou d’observation.
Au lieu d’un carburant combustible, le moteur fonctionne grâce à un liquide dit «ionique». En l’occurrence, un composé chimique appelé EMI-BF4, généralement utilisé comme solvant. Il est constitué de molécules chargées électriquement – des «ions» - exactement comme le sel de cuisine, à la différence près qu’il est liquide à température ambiante. A l’aide d’un champ électrique, on attire puis on éjecte ces ions, afin de créer une poussée. C’est le principe du moteur ionique : on ne brûle pas le carburant, on l’expulse.
Le moteur conçu à l’EPFL éjecte le flux de ions par de minuscules buses – on en compte près de 1000 par centimètre carré. Le carburant est attiré par capillarité jusqu’à l’autre extrémité de la micro-buse, où les ions sont extraits par une tension d’environ 1000 volts, accélérés, puis propulsés à l’arrière du satellite. La polarité du champ électrique est inversée chaque seconde, afin que tous les ions – positifs et négatifs – soient éjectés.
Partenaire du projet, SystematIC Design a conçu le système électrique du moteur. En effet, si l’éjection des ions nécessite une tension électrique élevée, l’énergie disponible à bord d’un nano-satellite de 10 centimètres de côtés est limitée à quelques petites cellules solaires – en pratique, on compte un maximum de 4 watts de puissance. L’entreprise hollandaise est parvenue à mettre au point un système à même de contrecarrer cette difficulté.
Après 6 mois d’accélération, le microsatellite passera de 24 000 km/h, soit la vitesse de lancement initiale, à près de 42 000 km/h. Le moteur ionique prend son temps. L’accélération n’est que d’environ un dixième de mm par seconde au carré, soit un 0 à 100 km/h en 77 heures ! Mais dans l’espace, où nul frottement ne vient contrecarrer le déplacement des corps, l’endurance compte plus que la puissance. «Nous avons calculé que pour atteindre l’orbite lunaire, un nanosatellite d’un kilo équipé de notre moteur ionique voyagerait environ 6 mois et consommerait 100 millilitres de carburant», explique Muriel Richard du Swiss Space Center de l’EPFL.
Le micro-moteur ionique devrait également équiper CleanSpace One – un microsatellite nettoyeur, qui a pour mission de désintégrer dans l’atmosphère des débris spatiaux. Pour atteindre l’une de ses cible, les cubesats suisses Swisscube ou Tlsat-1 actuellement hors d’usage, il lui faudra entre 2 et 3 mois et plus de 1000 révolutions terrestres, selon les scénarios calculés par le Swiss Space Center.
Les chercheurs disposent d’un peu plus d’une année pour finaliser leur système, qui pourrait être utilisé pour la première fois avec CleanSpace One, Le prototype, mis au point dans le cadre d’un projet européen et coordonné à l’EPFL, compte comme partenaires le Queen Mary and Westfield College au Royaume-Uni, les entreprises TNO et SystematIC Design B.V. (Hollande) ainsi que Nanospace AB (Suède).
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
