Pourquoi est ce que je vous parle de ça, aujourd’hui? Parce que les chinois sont en train de travailler sur un turboréacteur électrique à plasma qui utilise de l’air et de l’électricité pour produire sa poussée, ce réacteur pourrait être le future de l’aviation et fonctionne +- de la même manière.
La propulsion magnéto-plasmique à impulsion spécifique variable ou VASIMR en anglais (Variable specific impulse magnetoplasma rocket) est un type de propulseur spatial à plasma qui utilise des champs et des rayonnements électromagnétiques variables pour chauffer, ioniser et accélérer un gaz (hydrogène, argon ou hélium). C’est un mode de propulsion entre le moteur de fusée à propulsion chimique, qui utilise du propergol et le moteur ionique électrique, qui produit des ions et des atomes ayant perdu ou gagné des électrons. Ce nouveau moteur est capable de fonctionner dans les deux mode soit haute poussée – faible impulsion (moteur chimique) ou faible poussée – haute impulsion (moteur ionique). Mais qu’est ce que ça veut dire?
Un moteur chimique produira une forte poussée mais sur une très courte période (haute poussée – faible impulsion) c’est top pour quitter la terre et mettre de gros trucs en orbite mais si on veut aller loin c’est moins pratique, c’est un peu comme se retrouver avec un bateau sans propulsion, ça ne marche pas bien. L’autre solution c’est le moteur ionique, qui a une faible poussée mais sur de très longue période (faible poussée – haute impulsion), ça ne fonctionne pas pour quitter la terre, mais une fois dans l’espace ça donne une poussée continue mais pas forte (beaucoup d’inertie pour faire avancer ou pour arrêter l’objet propulse) ça pousse gentiment et ça accélère en permanence l’engin propulsé.
La propulsion VASMIR fait les deux, bien qu’elle ne soit pas capable de mettre quelque chose en orbite elle a quand même le punch nécessaire pour faire varier rapidement la vitesse d’un objet dans l’espace.
Impulsion spécifique késako?
Ce terme est utilisé pour décrire l’efficacité des systèmes de propulsion. Elle se calcule par le rapport de la poussée délivrée par un moteur fusée, exprimée en Newton, par le débit multiplié par le poids de propergol éjecté. Elle s’exprime en secondes et représente le temps durant lequel 1 kg de propergol est capable de produire une force de 9,81 Newton. Donc, plus cette valeur est grande, plus la quantité nécessaire de carburant est faible pour générer la poussée. (Moteur à impulsion Startrek)
Plasma
L’état plasma est un état de la matière, tout comme l’état solide, l’état liquide ou l’état gazeux, bien qu’il n’y ait pas de transition brusque pour passer d’un de ces états au plasma ou réciproquement. Il est visible sur Terre, à l’état naturel, le plus souvent à haute température, quand l’énergie est telle qu’elle réussit à arracher des électrons aux atomes. On observe alors une sorte de « soupe » d’électrons extrêmement actifs, dans laquelle « baignent » également des ions ou des noyaux atomiques. Le plasma, est très sensible à l’action des champs électrique, magnétique et électromagnétique. Les exemples de plasmas les plus courants sur Terre sont les flammes de haute température, la foudre ou le truc qui tourne dans ITER (Thermonuclear Experimental Reactor) le prototype de réacteur à fusion nucléaire développé par 35 pays se trouvant en France à Cadarache ou encore une boule à plasma sympa qui fait plein de couleur quand on met sa main dessus.
Dans les conditions usuelles, un milieu gazeux ne conduit pas l’électricité. Lorsque ce milieu est soumis à un champ électrique faible, un gaz pur est considéré comme un isolant électrique parfait, car il ne contient quasiment aucune particule chargée libre, comme des électrons libre ou ions positifs. Si on soumet le gaz à un fort champ électrique (30 kilovolts/centimètre pour l’air) ou à des températures assez élevées, si on le bombarde de particules ou s’il est soumis à un champ électromagnétique très intense, ces particules chargée libres vont apparaître en quantité significative. Lorsque l’ionisation (l’action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule) est suffisamment importante, le gaz devient alors un fluide conducteur qu’on appelle plasma. Les particules chargées électriquement qui composent le plasma forme un fluide qui est sensible aux champs magnétiques et peut, par exemple, être dévié ou déformé par un champ magnétique (Aimant).
Induction électromagnétique
Les taques à induction de votre cuisinière en gros. L’induction électromagnétique est un phénomène physique conduisant à l’apparition d’une force électromotrice dans un conducteur électrique soumis à un flux de champ magnétique variable. Cette force électromotrice peut engendrer un courant électrique dans le conducteur. C’est à la base du fonctionnement de la plupart des convertisseurs d’énergie électrique. Ca peut aussi créer de la chaleur mais comment? Le corps à chauffer baigne dans un champ électromagnétique. Ce champ électromagnétique se crée lorsqu’il y a rencontre entre un matériau conducteur (un métal par exemple) et un aimant capable de créer un champ magnétique. Cet aimant va exercer une force sur les électrons libres présents dans le matériau générant ainsi un courant électrique. L’énergie se dissipe alors à l’intérieur du corps sous forme de chaleur. L’exemple le plus concret repose sur le fonctionnement d’une plaque à induction.
Le système VASMIR (Variable specific impulse magnetoplasma rocket)
Ce système de propulsion, fonctionne sur le même principe que le moteur à ions électromagnétique, il accélère des ions en utilisant un fort champ électromagnétique pour produire une force de poussée. La principale différence se situe au niveau du mode de création des ions, beaucoup plus puissant et efficace. Des atomes de gaz sont injectés dans le système, puis sont ionisés à l’aide de radiofréquences (micro onde), qui créent une induction électromagnétique qui porte le gaz ionisé (devenu un plasma) à de très hautes températures (30000 kelvins). A la sortie du propulseur, un système comparable accélère le plasma et porte sa température à environ 10 MK (méga kelvins). Il est ensuite expulsé par une tuyère qui, grâce à un champ magnétique, permet de contrôler la trajectoire du jet. L’impulsion spécifique pourrait atteindre 30000 secondes (3000 pour un moteur à ion). La NASA estime à 3 mois le temps de trajet nécessaire pour atteindre Mars avec un vaisseau équipé d’un tel système. Il reste cependant encore à l’état expérimental.
La propulsion magnéto-plasmique à impulsion spécifique variable présente la particularité de faire appel aux trois aspects de la propulsion électrique :
- chauffage par induction électromagnétique et détente du gaz (propulsion électrothermique) ;
- ionisation et accélération des ions du plasma dans un champ électrique induit (propulsion ionique) ;
- confinement de plasma interne, guidage et contrôle du jet externe par champ magnétique (propulsion électromagnétique).
Schéma de VASIMR en coupe :
1. Le gaz neutre (hydrogène ou hélium) est injecté en entrée du dispositif.
2. Un tube en quartz recueille et confine ce gaz neutre avant son ionisation.
3. Une « antenne hélicon » spéciale pré-ionise le gaz (chauffage à 30 000 kelvins) à l’aide de radiofréquences émises dans un champ magnétique axial (rayonnement hélicon excitant les électrons).
4. Le plasma est confiné à distance de la paroi par des solénoïdes entourant la chambre cylindrique, créant un champ magnétique axial dans l’enceinte.
5. Une « antenne ICRH » (Ion Cyclotron Resonant Heating) ionise totalement le plasma en le portant à très haute température (10 megakelvins) et génère un champ électrique induit qui accélère les ions en une trajectoire hélicoïdale vers la sortie. C’est le booster principal.
6. Une « tuyère magnétique » en sortie contrôle le jet de plasma en modelant axialement la trajectoire des ions.
Cette tuyère à « géométrie magnétique variable » permet de faire varier l’impulsion spécifique et la poussée à puissance constante, en modulant l’intensité du champ magnétique et la géométrie de ses lignes de champ. Une analogie consiste à assimiler cette tuyère magnétique à la boîte de vitesses d’une automobile, dont le moteur serait alimenté en combustible à régime constant.
Le turboréacteur « non-polluant » Chinois
Des chercheurs et ingénieurs de l’Institut des sciences technologiques de l’université de Wuhan auraient mis au point un turboréacteur capable de propulser un aéronef, comme un avion, sans recourir à un carburant polluant et issu de l’énergie fossile. Le turboréacteur imaginé par ces chercheurs ne se base pas sur la combustion mais sur l’ionisation des particules grâce à de l’électricité. Leur invention comprime l’air à très haute pression et l’amène dans une chambre d’ionisation à micro-ondes en quartz. L’air comprimé et ionisé se transforme en plasma, lequel finit éjecté pour produire l’effet de propulsion souhaité. Le prototype fabriqué par les ingénieurs chinois de Wuhan a permis de soulever et de propulser dans les airs une bille d’acier d’un kilogramme, grâce à des tuyères (conduits de propulsion d’un moteur ou réacteur) de 2,4 cm de diamètre. A l’échelle d’un avion grandeur nature, la poussée du prototype serait comparable à celle réalisée par un turboréacteur classique. Autrement dit, ce propulseur à plasma pourrait remplacer les moteurs polluants des avions actuels et réduire considérablement leurs émissions de gaz à effet de serre.
Pourquoi le quartz (SiO2 pure, dioxyde de silicium, ou silice)
Pour ses propriétés de résistance thermique!
Si on le chauffe constamment à 1100°C pendant une heure, le matériau ne change pas de couleur.
Le quartz est tout aussi résistant aux chocs thermiques : si on le chauffe à une température de 1100°C puis qu’on le refroidit instantanément à 20°C trois fois de suite, le quartz ne présente pas de signes de rupture.
Le quartz n’a pas de température spécifique de fusion mais il s’assouplit aux alentours de 1630°C et se comporte comme une matière plastique.
