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Moteur ionique

Un moteur à ions est un moteur qui produit sa force de propulsion en projetant des ions à très haute vitesse.

Bien que le grand public associe généralement le moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) à ions à des séries de science-fiction (La science-fiction, prononcée /sjɑ̃s.fik.sjɔ̃/ (abrégé en SF), est un genre narratif (principalement littéraire et cinématographique) structuré...) telles que Star Trek (Star Trek est un univers de science-fiction créé par Gene Roddenberry dans les années 1960 qui regroupe six séries télévisées, onze longs métrages (le...), ce moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à...) existe bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour...) et bien. Son principe a déjà été pensé au début du XXe siècle et il est employé depuis quelques années pour le vol spatial (Constantin Tsiolkovski (1857-1935) est considéré comme le père du vol spatial. Dès la fin du XIXe siècle, il décrit les technologies nécessaires pour aller dans l'espace (notamment les...).

Fonctionnement du moteur à ions

Dans un moteur à ions, le carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) n'est pas brûlé mais ionisé. Les ions alors libérés passent par deux grilles fortement chargées électriquement et subissent ainsi une accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la modification affectant...). La force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) d'accélération des ions cause une force de réaction de sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive...) opposé : c'est la force de propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force motrice...) du moteur à ions.

Les ions récupèrent leurs électrons juste avant de sortir du moteur, afin de maintenir la neutralité de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou...) du véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.) et du carburant éjecté.

C'est le xénon (Le xénon est un élément chimique, de symbole Xe et de numéro atomique 54. Le xénon est un gaz noble, inodore et incolore. Dans une lampe à décharge, il émet une lumière bleue.) (un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de...) rare) qui est utilisé comme " carburant ". Par le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le présent. L'intuition du...), le sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux...) et le mercure ont été testés, mais ces matières érodent le moteur.

L'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail...) nécessaire pour l'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est...) du carburant et l'accélération des ions libérés est obtenue grâce à des panneaux solaires. Dans le futur, on utilisera sans doute également des réacteurs nucléaires pour fournir cette énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.).

Comparaison avec les moteurs de fusée (Fusée peut faire référence à :) conventionnels

Avec les moteurs conventionnels, il faut embarquer la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) à éjecter et l'énergie pour l'éjecter. Alors qu'avec les moteurs ioniques, seule la masse à éjecter est embarquée, l'énergie de l'éjection peut être prise sur place avec des panneaux solaires ou provenir d'un générateur thermoélectrique à radio-isotope.

Les moteurs de fusée conventionnels fournissent en peu de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) une accélération importante mais utilisent pour cela de grandes quantités de carburant. La réserve de carburant elle-même doit être propulsée tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) autant que le véhicule spatial. Les moteurs de fusée doivent pouvoir supporter des contraintes énormes (pression, températures), ce qui les rend lourds, et qui eux-mêmes doivent être propulsés... En conséquence, le véhicule spatial doit emmener avec lui encore plus de carburant.

Les moteurs à ions, produisent une force de propulsion faible, sur une longue durée et, sont particulièrement économes. Ils produisent, par kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).) de carburant, une énergie de propulsion supérieure à celle des moteurs de fusée conventionnels. Ils peuvent donc, après un temps certes non négligeable, obtenir la même vitesse (On distingue :), et ce avec une consommation de carburant bien moindre. Le véhicule spatial peut alors emporter moins de carburant. Les moteurs à ions étant également beaucoup plus légers, ils permettent une nouvelle économie de carburant.

Application

Les moteurs à ions, de par leur petite force de propulsion, ne conviennent pas pour le lancement de véhicules spatiaux. Pour cela, les moteurs de fusée conventionnels sont encore nécessaires. Mais, en principe, dès que le véhicule spatial a atteint l’espace, le moteur à ions peut prendre le relais.

Le moteur à ions peut fonctionner très longtemps sans s’arrêter, si nécessaire durant des années. Avec son aide, des destinations extrêmement lointaines, comme Jupiter, peuvent être atteintes bien plus rapidement.

Le moteur à ions a été testé de façon poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) pour la première fois par le véhicule spatial non-habité Deep Space 1 (Deep Space 1 est la première sonde spatiale du programme New Millenium de la NASA, dont l'objectif principal est de tester douze nouvelles technologies, dont un moteur ionique, permettant la diminution des coûts et des risques des...). Ce dernier a été lancé par la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du programme spatial des États-Unis...) le 24 octobre 1998. Il avait pour but premier de tester un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de nouvelles techniques astronautiques, dont le moteur à ions. À la fin de la mission, la vitesse de Deep Space 1 avait augmenté, grâce au moteur à ions, de 4,5 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.) par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle plan. La...), après l’usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) de seulement 81,5 kilogrammes de carburant. Avec un moteur conventionnel et en utilisant autant de combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de...), le véhicule aurait subi à peine un dixième de cette accélération.

Le satellite (Satellite peut faire référence à :) européen Astra 2A, qui transmet des signaux télé, est muni d’un moteur à ions. Les forces d’attraction variables de la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne séparant la Terre de la Lune est de...) et du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une...) font en sorte que des satellites de ce type doivent souvent effectuer des corrections de trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.). La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de carburant qui peut être emportée est limitée, mais du fait que le moteur de l’Astra 2A est très économe, sa durée d’utilisation sera beaucoup plus longue que les +/- 10 ans habituels.

La sonde spatiale (Une sonde spatiale est un vaisseau spatial non habité envoyé par l'homme pour étudier à plus ou moins grande distance les corps célestes se trouvant dans le système solaire...) SMART-1 de l’Agence Spatiale Européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est une agence spatiale intergouvernementale fondée le 31 mai 1975. Elle est...) (ESA) a aussi un moteur à ions. Elle a été lancée le 28 septembre 2003 et a été ecrasée sur la Lune (3 septembre 2006) comme prévu dans l'objectif initial du programme. Cette sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela...) met beaucoup plus de temps qu’un véhicule spatial muni d’un moteur conventionnel, mais elle est beaucoup plus économe et coûte donc beaucoup moins cher (car la charge à mettre en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) est considérablement réduite).

La sonde spatiale japonaise Hayabusa est dotée d’un moteur ionique (Un moteur à ions est un moteur qui produit sa force de propulsion en projetant des ions à très haute vitesse.). C'est la première à avoir (presque) réussi à se poser sur l’astéroïde (Un astéroïde est un objet céleste dont les dimensions varient de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres et qui, à la différence...) Itokawa le 19 novembre 2005. Sa propulsion ionique (Un moteur à ion est basé sur l'accélération de particules chargées (les ions) via un champ électrostatique) lui permettra de revenir sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) avec des échantillons de l’astéroïde en 2010, après avoir parcouru environ 300 millions de kilomètres.

La NASA travaille au développement d’un moteur à ions qui sera alimenté en énergie grâce à un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par l'humain — ou par la nature,...). Cela rendrait l’utilisation du moteur à ions possible pour les vols spatiaux à si grande distance du Soleil que des panneaux solaires ne peuvent plus fournir assez d’énergie.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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