Je viens de lire avec beaucoup d’intérêt l’article de Stéphane Mazouffre concernant la propulsion plasma. Une belle oeuvre de vulgarisation livrée par notre récente médaille de bronze du CNRS…
Mais, bien sûr, je me pose des questions avec le tout petit côté d’ingénieur chimiste de formation qu’il me reste…
Ma question concerne l’ergol (en gros, le carburant) utilisé. L’objectif est de récupérer, si j’ai bien compris et que je vulgarise correctement, un « flux d’ions ». Il faut donc un matériau qui soit à la fois facilement ionisable et plutôt assez lourd, je pense pour profiter au moins dans le champ d’attraction terrestre de l’effet de la pesanteur qui va accélérer encore les ions et donner la poussée…
Si mes souvenirs de chimie sont exacts, les énergies d’ionisation sont plus faibles pour la colonne IA de la classification périodique dont les éléments veulent tendre vers l’acquisition de la stabilité du gaz rare et veulent donc se débarasser de leurs électrons…
Par ailleurs, plus on descend dans le tableau, plus le potentiel d’ionisation est élevé car les noyaux sont plus gros, les électrons plus nombreux, et les électrons des couches externes sont donc moins attachés à leur noyau et risquent plus d’interactions répulsives avec d’autres électrons…
Ma question est donc la suivante : pourquoi le Xenon alors que le Césium par exemple doit avoir une énergie d’ionisation bien bien plus faible pour un poids similaire ? Est-il nécessaire d’utiliser un gaz (n’existe-t-il pas des « plasmas de matière » ?) et si oui, pourquoi ?
La question que tu poses Johann est très pertinente. Tu as mis le doigt sur l’un des points clef de la propulsion à plasma : le choix de l’ergol.
Ce dernier doit posséder 2 propriétés principales :
- une énergie d’ionisation faible pour assurer une production d’ions positifs élevée et un bon rendement,
- une grande masse car la poussée est bien sûr liée à la quantité de mouvement des particules accélérées dans le champ électrique (la force de pesanteur est négligeable dans notre cas).
Regardons de plus près le tableau de la classification périodique des éléments. Il faut effectivement des » gros atomes » car comme tu l’écris l’énergie de liaison des électrons de valence est plus faible à cause du phénomène d’écran imposé par les électrons du coeur.
Le Cs est un bon candidat (Ei=3,9 eV) mais il pose des problèmes de manipulation car il est liquide à température ambiante, or un plasma ne se forma qu’à partir d’un gaz. Le Hg a été testé mais il est toxique. Du côté des métaux solides, le Bi est un candidat sérieux. Des travaux, aujourd’hui arrêtés, avaient été conduits dans l’ex-URSS et plus récemment aux USA. Le problème c’est qu’il faut un système complexe pour le vaporiser et l’injecter dans un propulseur sous forme gazeuse.
Que reste-t-il ? Et bien les gaz rare. On oublie Rn qui est radioactif (quoi que dans l’espace cela ne soit pas un problème). Donc on tombe sur le Xe ou Kr. On privilégie aujourd’hui Xe car il est plus lourd et son Ei (= 12.3 eV) est plus faible que celle de Kr.
Il y a cependant d’autres options. On peut par exemple utiliser des molécules dont la masse peut être très grande. On perd cependant de l’énergie dans les processus de dissociation et d’excitation rovibrationnelle. Mais cette option commence a être envisagée car on peut parfois sacrifier quelques points de rendement si on gagne en poussée, en coût, en facilité de stockage de l’ergol ou en durée de vie. En fait j’y travaille, mais pour le moment… chut !
Certains systèmes utilisent des colloïdes dont les particules sont accélérées dans des champs très intenses. Ces ergols sont résevés au domaine de la micro-propulsion car leur mise en oeuvre pour des propulseurs à forte poussée n’est pas intéressante.
Voilà? J’espère avoir répondu à ta question.