En ce qui concerne l'avenir de l'exploration spatiale, l'un des plus grands défis est de proposer des moteurs capables de maximiser les performances tout en garantissant une efficacité énergétique. Cela permettra non seulement de réduire le coût des missions individuelles, mais aussi de garantir que les engins spatiaux robotisés (et même les engins spatiaux avec équipage) peuvent fonctionner pendant de longues périodes dans l'espace sans avoir à faire le plein.
Ces dernières années, ce défi a débouché sur des concepts vraiment innovants, dont l'un a été récemment construit et testé pour la toute première fois par une équipe de l'ESA. Ce concept de moteur consiste en un propulseur électrique capable de «ramasser» des molécules d'air rares du haut des atmosphères et de les utiliser comme propulseur. Cette évolution ouvrira la voie à toutes sortes de satellites qui peuvent fonctionner sur des orbites très basses autour des planètes pendant des années.
Le concept d'un propulseur à respiration aérienne (alias. Ram-Electric Propulsion) est relativement simple. En bref, le moteur fonctionne sur les mêmes principes qu'un bélier (où l'hydrogène interstellaire est collecté pour fournir du carburant) et un moteur ionique - où les particules collectées sont chargées et éjectées. Un tel moteur éliminerait le propulseur embarqué en absorbant les molécules atmosphériques lors de son passage à travers le sommet de l'atmosphère d'une planète.
Le concept a fait l'objet d'une étude intitulée «Propulsion électrique RAM pour le fonctionnement de l'orbite terrestre basse: une étude de l'ESA», qui a été présentée lors de la 30e Conférence internationale de propulsion électrique en 2007. L'étude a souligné comment «les satellites en orbite terrestre basse sont soumis à l'atmosphère la traînée et ainsi leur durée de vie est limitée avec les technologies de propulsion actuelles par la quantité de propulseur qu'ils peuvent transporter pour compenser. "
Les auteurs de l'étude ont également indiqué comment les satellites utilisant une propulsion électrique à impulsion spécifique élevée seraient capables de compenser la traînée pendant le fonctionnement à basse altitude pendant une période de temps prolongée. Mais comme ils concluent, une telle mission serait également limitée à la quantité de carburant qu'elle pourrait transporter. Ce fut certainement le cas du champ gravimétrique de l'ESA et du satellite de cartographie par gravité de l'Ocean Circulation Explorer (GOCE),
Alors que GOCE est resté en orbite terrestre pendant plus de quatre ans et a fonctionné à des altitudes aussi basses que 250 km (155 mi), sa mission a pris fin au moment où il a épuisé ses 40 kg (88 lb) d'approvisionnement en xénon comme propulseur. En tant que tel, le concept d'un système de propulsion électrique qui utilise des molécules atmosphériques comme propulseur a également été étudié. Comme l'explique le Dr Louis Walpot de l'ESA dans un communiqué de presse de l'ESA:
"Ce projet a commencé avec une nouvelle conception pour extraire des molécules d'air comme propulseur du haut de l'atmosphère terrestre à environ 200 km d'altitude à une vitesse typique de 7,8 km / s."
Pour développer ce concept, la société aérospatiale italienne Sitael et la société aérospatiale polonaise QuinteScience se sont associées pour créer une nouvelle conception d'admission et de propulseur. Alors que QuinteScience a construit une prise qui collecterait et comprimerait les particules atmosphériques entrantes, Sitael a développé un propulseur à deux étages qui chargerait et accélérerait ces particules pour générer une poussée.
L'équipe a ensuite effectué des simulations informatiques pour voir comment les particules se comporteraient dans une gamme d'options d'apport. Mais à la fin, ils ont choisi d'effectuer un test d'entraînement pour voir si l'admission et le propulseur combinés fonctionneraient ensemble ou non. Pour ce faire, l'équipe l'a testé dans une chambre à vide dans l'une des installations d'essai de Sitael. La chambre a simulé un environnement à 200 km d'altitude tandis qu'un «générateur de flux de particules» a fourni les molécules à grande vitesse venant en sens inverse.
Pour fournir un test plus complet et s'assurer que le propulseur fonctionnerait dans un environnement à basse pression, l'équipe a commencé par l'allumer avec du propulseur au xénon. Walpot a expliqué:
«Au lieu de simplement mesurer la densité résultante au niveau du collecteur pour vérifier la conception de l'admission, nous avons décidé de fixer un propulseur électrique. De cette façon, nous avons prouvé que nous pouvions en effet collecter et comprimer les molécules d'air à un niveau où l'allumage du propulseur pouvait avoir lieu, et mesurer la poussée réelle. Au début, nous avons vérifié que notre propulseur pouvait être allumé à plusieurs reprises avec du xénon provenant du générateur de faisceau de particules. »
Dans une prochaine étape, l'équipe remplace partiellement le xénon par un mélange air-oxygène-azote pour simuler la haute atmosphère terrestre. Comme espéré, le moteur continuait de tourner et la seule chose qui avait changé était la couleur de la poussée.
"Lorsque la couleur bleue à base de xénon du panache du moteur est devenue violette, nous savions que nous avions réussi", a déclaré le Dr Walpot. «Le système a finalement été allumé à plusieurs reprises uniquement avec du propulseur atmosphérique pour prouver la faisabilité du concept. Ce résultat signifie que la propulsion électrique respiratoire n'est plus simplement une théorie mais un concept concret et fonctionnel, prêt à être développé, pour servir un jour de base à une nouvelle classe de missions. »
Le développement de propulseurs électriques à respiration aérienne pourrait permettre une toute nouvelle classe de satellites qui pourrait fonctionner avec les franges de l'atmosphère de Mars, de Titan et d'autres corps pendant des années. Avec ce type de durée de vie opérationnelle, ces satellites pourraient recueillir des volumes de données sur les conditions météorologiques de ces organismes, les changements saisonniers et l’histoire de leurs climats.
Ces satellites seraient également très utiles pour observer la Terre. Puisqu'ils pourraient fonctionner à des altitudes plus basses que les missions précédentes, et ne seraient pas limités par la quantité de propulseur qu'ils pourraient transporter, les satellites équipés de propulseurs à respiration aérienne pourraient fonctionner pendant de longues périodes. En conséquence, ils pourraient offrir des analyses plus approfondies sur le changement climatique et surveiller de plus près les modèles météorologiques, les changements géologiques et les catastrophes naturelles.
