Test d’un nouveau propulseur plasmique à base d’iode en orbite

La plupart des gens connaissent probablement l’iode en raison de son rôle de désinfectant. Mais si vous êtes resté éveillé tard pendant la chimie du lycée, vous avez peut-être vu une émission où la poudre d’iode était chauffée. Étant donné que les points de fusion et d’ébullition sont très proches l’un de l’autre à la pression atmosphérique, l’iode forme facilement un gaz violet lorsqu’il est chauffé. À basse pression, il passe directement d’un solide à un gaz, un processus appelé sublimation.

Il s’avère que cela pourrait en faire le carburant idéal pour une forme de propulseurs d’engins spatiaux très efficaces appelés propulseurs ioniques. Alors qu’il a été considéré comme un candidat prometteur pendant un certain temps, une société commerciale appelée ThrustMe annonce maintenant qu’elle a fait la démonstration d’un propulseur alimenté à l’iode dans l’espace pour la première fois.

force ionique

Les fusées reposent sur des réactions chimiques pour expulser une grande masse de matériau le plus rapidement possible, leur permettant de générer suffisamment de poussée pour soulever quelque chose dans l’espace. Mais ce n’est pas le moyen le plus efficace de générer des paiements – nous finissons par négocier l’efficacité afin d’obtenir le package rapide nécessaire pour vaincre la gravité. Une fois dans l’espace, le besoin de vitesse disparaît ; Nous pouvons utiliser des moyens plus efficaces pour expulser la matière, car un taux d’accélération plus lent est acceptable pour déplacer des objets entre différentes orbites.

Le champion actuel de l’efficacité est le propulseur ionique, qui a maintenant été utilisé Sur un certain nombre de vaisseaux spatiaux. Il fonctionne en utilisant de l’électricité (généralement générée par des panneaux solaires) pour retirer un électron d’un atome neutre, ce qui donne un ion. La grille électrifiée utilise ensuite des interactions électromagnétiques pour l’expulser du vaisseau spatial à grande vitesse, créant une poussée. Les ions sont finalement expulsés à des vitesses qui peuvent être d’un ordre de grandeur supérieur à ce qu’un motif chimique peut produire.

Une quantité relativement faible de matière peut être accélérée à la fois, de sorte que cela ne peut pas générer quelque chose proche de la quantité de poussée produite en peu de temps par une fusée chimique. Mais il utilise beaucoup moins de matériau pour produire la même quantité de poussée et peut facilement produire une accélération équivalente si on lui donne suffisamment de temps. En d’autres termes, si vous pouvez être patient au sujet de votre accélération, un moteur ionique peut faire l’équivalent sous une forme qui utilise moins de masse et moins d’espace. Ce sont deux considérations très importantes dans les engins spatiaux.

Il est essentiel de faire de ce travail sur le bilan énergétique du vaisseau spatial un matériau qui puisse s’ioniser sans nécessiter beaucoup d’énergie. Actuellement, le matériau de choix est le xénon, un gaz facile à ioniser et situé plusieurs rangées dans le tableau périodique, ce qui signifie que chacun de ses ions est relativement lourd. Mais le xénon a ses inconvénients. Il est relativement rare (seulement 1 partie par 10 millions dans notre atmosphère) et doit être stocké dans des conteneurs à haute pression, éliminant ainsi une partie des économies de poids.

Entrez l’iode

L’iode semble être un substitut idéal. Il se trouve à côté du xénon dans le tableau périodique et se présente généralement sous la forme d’une molécule composée de deux atomes d’iode, il a donc la capacité de produire plus de poussée pour chaque élément expulsé. Il est plus facile d’ioniser le xénon, car il faut 10 % d’énergie en moins pour perdre un électron. Et contrairement au xénon, il existe heureusement sous forme solide dans les conditions appropriées, ce qui rend le stockage beaucoup plus simple. Juste un peu de chauffage le transformera en gaz nécessaire pour faire fonctionner le moteur ionique.

Le gros inconvénient est qu’il s’agit d’un matériau corrosif, ce qui a obligé ThrustMe à utiliser de la céramique pour la plupart des matériaux avec lesquels il pourrait entrer en contact.

La conception du propulseur comprenait un réservoir de carburant rempli d’iode solide qui pouvait être chauffé avec des radiateurs résistifs alimentés par des panneaux solaires. L’iode lui-même était à l’intérieur d’un matériau d’oxyde d’aluminium poreux l’empêchant de se désintégrer des vibrations qu’il a subies lors du lancement (l’oxyde d’aluminium est constitué à 95% d’espace ouvert, il n’a donc pas généré beaucoup de stockage de carburant). Le réservoir est relié à la chambre d’ionisation via un petit tube ; Lorsque le système est refroidi après utilisation, suffisamment d’iode se solidifiera dans ce tube pour isoler le carburant du monde extérieur.

Une fois dans la chambre d’ionisation, le gaz iodé est bombardé d’électrons, inactivant les autres électrons, entraînant la formation d’un plasma. La grille électrique adjacente a alors accéléré les ions positifs de ce plasma, créant une poussée. Des électrons ont été extraits du plasma et injectés dans le faisceau d’ions pour que tout reste électriquement neutre.

Des extracteurs de chaleur étaient fixés à l’électronique et aux parois du tube d’iode, la chaleur étant recyclée dans le carburant à l’iode lorsque le propulseur était relâché. Cela a permis de réduire les besoins énergétiques pour la vaporisation de l’iode à 1 watt une fois que le propulseur a atteint un état stable.

L’ensemble de l’installation était incroyablement compact, occupant le même espace qu’un cube de 10 centimètres de long de chaque côté et pesant seulement 1,2 kilogramme. Selon certaines mesures, il a surpassé un moteur au xénon de 50 pour cent.

Démo dans l’espace

L’équipement de travail a été transporté sur un véhicule cubique de 12 modules pesant environ 20 kilogrammes appelé Beihangkongshi-1. Et au cours des deux dernières années environ, le propulseur a été utilisé à plusieurs reprises pour faire face au déplacement du satellite afin d’éviter les collisions potentielles. Le suivi par satellite et la surveillance du propulseur à bord montrent que le propulseur à base d’iode fonctionne exactement comme il l’a fait lors des tests au sol.

Il est important de répéter que la quantité réelle de poussée est minime – environ 0,8 millinewtons pendant le fonctionnement. Mais le propulseur pouvait facilement maintenir cela pendant plus d’une heure, fournissant suffisamment de poussée pour le déplacer sur une orbite quelques centaines de mètres plus haut. Ainsi, bien que rien ne puisse jamais être mis en orbite, les appareils ThrustMe peuvent certainement très bien déplacer les choses en orbite.

La grande limitation est encore une fois la vitesse. Il ne se déplace que lentement, prenant environ 10 minutes pour que l’iode se réchauffe suffisamment pour que le propulseur commence à fonctionner. Si une manœuvre d’urgence est nécessaire, elle ne la coupera pas. Mais, en supposant qu’il n’y a personne explosion de satellites Dans votre voisinage, la plupart des dangers satellitaires peuvent être identifiés à l’avance.

tempérer la nature, 2021. DOI : 10.1038 / s41586-021-04015-y (À propos des DOI).