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LE MONDE - 5 octobre 1977 - Page 23

Trois projets pour remplacer la fusée


POUR se déplacer, dans l’espace, il n’existe actuellement qu’un moyen : la fusée. Ce sont des fusées qui arrachent les satellites à l’attraction terrestre et les mettent sur orbite : ce sont aussi de petites fusées qui les orientent comme on le désire, et qui leur permettent de corriger, ou même de modifier complètement, leur orbite.


Le principe de la fusée est simple : deux réservoirs contiennent deux ergois, c’est-à-dire deux substances chimiques qui réagissent ensemble dans une chambre de combustion.
Du fait de la chaleur dégagée par la réaction, ses produits sont des gaz très chauds, qui sont éjectés à grande vitesse par une tuyère. De même qu’un canon recule au moment du tir, la fusée "recule" dans la direction opposée au jet de gaz. Tout l’art du constructeur consiste à choisir les ergois et à les amener en bonnes quantité et proportion dans la chambre de combustion, pour que la réaction ait l’intensité désirée.


La fusée restera sans doute le principal mode de propulsion.
Mais d’autres techniques sont à l’étude, et prendront une grande importance. On peut citer le moteur ionique, la propulsion par laser et la voile solaire.


Le moteur ionique


Au lieu de combiner chimiquement deux ergois, le moteur ionique dissocie un gaz en ions de charges électriques opposées - en général, un ion lourd et un électron. Les ions sont ensuite accélérés par un champ électrique et éjectés à grande vitesse, comme les gaz de combustion d’une fusée.


L’intérêt du moteur ionique tient à la vitesse des ions. Celle-ci peut atteindre 15 kilomètres par seconde, au lieu de 3 à 4 kilomètres par seconde pour les gaz de combustion. Comme la poussée du moteur, pour un débit donné, es directement proportionnelle à cette vitesse, le moteur ionique paraît très supérieur à la fusée chimique.


En fait, il n’y a pas véritablement concurrence entre ces deux propulseurs. Car si l’on peut faire réagir ensemble d’énormes quantités d’ergois donnant des débits de gaz importants, on ne peut ioniser que des gaz à faible pression. La poussée reste donc faible, bien insuffisante pour arracher un satellite à l’attraction terrestre : en revanche, elle
convient pour modifier l’orbite d’un satellite, opération qui demande peu d’efforts. Le moteur ionique compense son faible débit par un temps de fonctionnement très long. Il permet des modifications graduelles de trajectoire, bien commodes pour réaliser, par exemple, des rendez-vous orbitaux.


Bien que son principe soit simple, le moteur ionique pose de nombreux problèmes technologiques. L’un des plus ardus est celui de la neutralité électrique.
Du fait que le moteur éjecte des ions de charge positive, il prend lui-même une charge électrique négative, qui, très rapidement, va ramener vers le moteur des ions positifs émis, ce qui annulerait la poussée. Il faut donc, en même temps qu’on les éjecte, neutraliser les ions par l’émission d’une même quantité d’électrons, et ce sans diminuer leur vitesse.


La NASA a lancé, en 1970, un satellite SERT destiné à expérimenter deux moteurs à ions de mercure. L’un d’eux a fonctionné pendant trois mois, l’autre pendant cinq - alors que la durée nominale était de six mois.
Depuis, les travaux ont progressé, et le moteur ionique n’est pas loin d’être au point.


La propulsion
par laser


Pour qu’il fonctionne, il faut évidemment une source d’électricité. Elle peut être fournie par des photopiles qui utilisent l’énergie solaire, mais ne donnent que peu de courant. Une solution pour obtenir un moteur plus puissant est d’embarquer à bord du satellite un générateur d’électricité à radio-isotopes, comme ceux qui équipent certaines sondes planétaires américaines, ou même un petit réacteur nucléaire.


Les recherches actuelles sur les lasers de grande puissance, souvent orientées vers la fusion thermonucléaire, peuvent ouvrir la voie à un nouveau mode de propulsion. Des études sont actuellement menées dans plusieurs laboratoires américains, et aussi à l’institut Lebedev, à Moscou.


Le satellite, ou l’objet à propulser dans l’espace, aurait une face formée d’un matériau aisément vaporisable. Une première impulsion laser, en échauffant le matériau, ferait apparaître une fine couche de gaz. Une seconde impulsion, beaucoup plus intense, transformerait ce gaz en un plasma, dont la dilatation très brutale exercerait sur le satellite une force importante. On peut ainsi obtenir des poussées intrinsèques trois fois supérieures à celles que donnent les meilleurs ergola.


Il y a, cependant, beaucoup de problèmes à résoudre : il faut que la seconde impulsion soit entièrement absorbée par le gaz que crée la première impulsion.
Si elle atteint la face solide, celle-ci sera soumise à des contraintes insupportables. Il faut disposer de lasers de très grande puissance. Un projet utilise comme matériau volatil la glace, avec une première impulsion apportant un mégawatt par centimètre carré de surface pendant dix microsecondes, et une deuxième impulsion donnant une puissance vingt à cinquante fois plus grande pendant un temps moitié moindre.


Supposé construit un laser ayant de telles performances, où le mettre ? Certains projets prévoient un laser au sol, mais l’absorption de la lumière dans l’atmosphère est une difficulté sérieuse. On peut diminuer cette absorption en plaçant le laser à haute altitude. C’est alors l’absorption par le gaz carbonique atmosphérique qui est dominante.
Une possibilité de s’en affranchir est justement d’utiliser un laser au gaz carbonique. L’absorption est si forte qu’on la saturera : toutes les molécules de gaz carbonique se trouvant sur le trajet du laser absorberont un photon au début de l’impulsion, et deviendront, de ce fait, inactives : l’atmosphère sera ensuite transparente pour la fin de l’impulsion.


D’autres études placent le laser sur un satellite, ce qui évite les difficultés atmosphériques, mais pose le problème de son alimentation en énergie. Et dans les deux cas, il faut pointer le laser sur sa cible - mobile - avec une précision fantastique, de l’ordre du millième de seconde d’arc.


Le moteur ionique ou la propulsion par laser ont, avec la fusée classique, un inconvénient commun : il y a consommation de matière, et comme il n’existe pas de stations-service du cosmos, tout ce qui est consommé doit être emporté au départ.


La voile solaire évite cette sujétion. Contrairement à ce qu’on pourrait penser, elle n’utilise pas le "vent" solaire, qui est un flux de particules très énergiques émis par le Soleil, mais un phénomène connu sous le nom de pression de radiation.


Quand de la lumière se réfléchit sur une surface, elle exerce sur celle-ci une pression très faible. Ainsi, un hectare de matériau réfléchissant à la surface de la Terre subit, du fait de cette pression, une force complètement négligeable vis-à-vis des effets de la pesanteur ou de la pression atmosphérique.


D’énormes difficultés


Mais si ce même matériau réflecteur est envoyé dans l’espace interplanétaire, il ne subira plus que l’attraction du Soleil, qui dépend de sa masse, et la pression de radiation qui dépend de sa surface. Pour une voile très fine et très grande - un film de plastique aluminé - ces deux forces peuvent être du même ordre de grandeur. Au lieu de suivre l’orbite que lui assigne la mécanique céleste - qui ne connaît que l’attraction solaire - une sonde planétaire, munie de cette voile, peut avoir presque n’importe quelle trajectoire, d’autant qu’en changeant l’orientation de la voile par rapport au Soleil, on fait varier sa surface apparente, donc l’effet de la pression de radiation.


Divers projets ont été étudiés aux Etats-Unis. L’un d’eux était une voile carrée de 800 mètres de côte et de 2.5 microns d’épaisseur. Un autre projet envisageait une voile circulaire de 860 mètres de diamètre. Mais les difficultés sont énormes pour déplier dans
l’espace une telle surface d’un matériau fragile. Dernièrement, la NASA a fait savoir qu’elle renonçait à la voile solaire, au profit du moteur ionique, pour les vols interplanétaires qui pourraient être programmés dans les années 1980. L’avenir de la voile solaire est donc encore lointain.


MAURICE ARVONNY.

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