Le C12A7:e- dans les cathodes et les neutralisateurs améliore la propulsion électrique
Ces dernières années, les systèmes de propulsion électrique (PE) ont gagné énormément de terrain par rapport aux systèmes chimiques pour les missions en orbite terrestre basse (OTB). Les satellites OTB sont soumis à une décroissance orbitale, c’est-à-dire à une diminution progressive de leur distance par rapport à la Terre. Ils ont par conséquent besoin de systèmes de propulsion efficaces de faible poussée pour se maintenir à poste. Les satellites plus petits requièrent également des composants moins encombrants et plus légers. La propulsion électrique répond à ces deux critères. Divers obstacles se lèvent toutefois, liés au fait que les systèmes de PE de pointe utilisent des matériaux rares et coûteux pour leurs cathodes et leurs propergols. Le projet NEMESIS, financé par l’UE, aborde ces deux problèmes et propose un matériau cathodique innovant qui peut être produit de manière rentable en Europe à partir de précurseurs peu coûteux, localement disponibles et abondants.
Le C12A7:e- en tant qu’émetteur alternatif d’électrons
Les matériaux cathodiques remplissent deux fonctions. Ils fournissent des électrons qui bombardent les gaz propulseurs et produisent des ions positifs qui sont accélérés et éjectés pour faire avancer le satellite. Ce processus chargeant positivement le satellite, des électrons supplémentaires sont nécessaires pour neutraliser la charge positive. «La plupart des cathodes et des neutralisateurs de propulsion électrique utilisent actuellement de l’hexaboride de lanthane (LaB6) comme émetteur d’électrons et du xénon comme gaz propulseur. Le lanthane et le xénon sont rares et chers, des problèmes qui ont été exacerbés par la guerre en Ukraine», explique Ángel Post de Advanced Thermal Devices et coordinateur du projet NEMESIS. NEMESIS a ciblé un nouveau matériau céramique, le C12A7:e-, qui est non seulement peu coûteux et abondant, mais qui requiert une température plus basse pour commencer à émettre. Cela signifie une diminution des besoins en énergie et des contraintes thermiques induites sur les autres composants et sous-systèmes du satellite. Les chercheurs estiment qu’il devrait être chimiquement plus inerte que le LaB6, ce qui permettrait de l’utiliser avec d’autres gaz propulseurs.
La polarisation pulsée résout les instabilités de la génération des électrons
Le consortium a réalisé tous les avantages escomptés et les a même dépassés. La température de fonctionnement a été ramenée de 800-1300 °C pour d’autres émetteurs d’électrons à environ 200-250 °C. Cela élimine le besoin d’une source de chaleur externe, de matériaux coûteux résistant à la chaleur dans les sous-systèmes et d’écrans de protection contre les radiations thermiques. Les chercheurs ont démontré la compatibilité opérationnelle avec de nombreux gaz propulseurs alternatifs, dont l’argon, le krypton et même l’ammoniac, en plus du xénon conventionnel. NEMESIS a testé les nouvelles cathodes pendant des milliers d’heures, avec des résultats cohérents et reproductibles dans plusieurs laboratoires. Plus important encore, «nous avons surmonté le problème le plus complexe lié au C12A7:e-, à savoir les étincelles et les instabilités causées par l’accumulation de charges dans la fine couche diélectrique à la surface du matériau, qui provoquent des dysfonctionnements et même la fusion. Notre solution qui consiste en des techniques de couplage de charges par polarisation pulsée du matériau a été brevetée», fait remarquer Ángel Post. Qui plus est, la polarisation pulsée a fourni deux fois plus de courant émis et a permis au consortium d’initier l’émission d’électrons à des températures encore plus basses que celles reprises dans la documentation. Plusieurs prototypes ont été développés et testés avec succès en utilisant des gaz propulseurs au xénon, à l’argon, au krypton, à l’iode et à l’ammoniac. Ceux-ci ont été couplés avec succès à des propulseurs commerciaux à effet Hall (HET) et ont réalisé des facteurs de mérite de haute performance.
L’indépendance européenne pour la propulsion rentable des satellites
NEMESIS a sensibilisé l’industrie spatiale européenne par le biais de 24 présentations menées dans le cadre de neuf conférences et ateliers internationaux, ainsi que de huit publications évaluées par des pairs, ce qui a largement favorisé son adoption précoce et sa compétitivité. Trois projets de suivi ont été attribués depuis l’achèvement du projet et deux accords de collaboration industrielle ont été signés. L’Europe est en passe de fournir à son marché en plein essor des petits satellites une propulsion électrique rentable, faible consommatrice d’énergie et de haute performance, qui renforcera sa compétitivité sur un marché mondial en pleine expansion.
Mots‑clés
NEMESIS, propulsion, propulsion électrique, satellite, propergol, cathodes, émetteur d’électrons, polarisation pulsée, céramique, OTB, orbite terrestre basse