Un moteur à plasma pour explorer l'espace

La machine se met en marche. A travers la petite lucarne, un rayon apparaît lentement. D’aspect diffus et vaporeux, il est d’abord rose pâle, puis devient violacé en s’intensifiant. Il s’agit de plasma et pourrait bien servir, un jour, à contrôler le mouvement de petits satellites ou de sondes dans l’espace.

L’installation est l’œuvre de Félicien Filleul. Etudiant en physique à l’EPFL, ce jeune homme de 26 ans a également suivi un Mineur en technologies spatiales. Son travail de master, mené au Swiss Plasma Center en collaboration avec le centre eSpace, lui a offert une fantastique opportunité: contribuer au développement d’un propulseur de satellite utilisant le plasma en guise de carburant. Un projet qui fait son chemin dans le milieu spatial depuis une dizaine d’années déjà…

«Le moteur à plasma est une solution très intéressante pour les petits satellites comme les Cubsats, relève le jeune homme. Ces engins sont aujourd’hui placés sur leur orbite sans aucun moyen de contrôler ou modifier leurs mouvements.» Il s’agit donc d’imaginer un système permettant d’opérer des poussées de faible intensité, mais assurant une grande constance, une haute précision et fonctionnant à basse consommation. Cela offrirait la possibilité de corriger - ou au contraire de maintenir - l’orbite ou l’orientation de ces appareils. Ou encore de faire des constellations de Cubsats, c’est-à-dire de mettre plusieurs de ces satellites en réseau dans le cadre d’une seule et même mission.

Soupe de particules

«Le plasma est idéal pour ce type de propulsion, estime Félicien Filleul. Pour le fabriquer, nous utilisons du Xénon. Or, un seul gramme de ce gaz génère une accélération dix fois plus importante qu'une même quantité de tout autre carburant classique».

Ni gazeux, ni solide, ni liquide. Le plasma est un quatrième état de la matière qui, bien que présent dans des technologies telles que les néons ou certains écrans de télévision, nous est moins familier que les trois autres. Il est en revanche très présent dans l’Univers, notamment dans la composition de notre Soleil et des autres étoiles.

Pour le fabriquer, on chauffe du gaz dans une chambre vide à des températures si élevées que les électrons se trouvent arrachés de l’orbite de leur noyau atomique, formant alors une sorte de «soupe» de particules fortement chargées. Or, en faisant circuler dans ce bouillon une onde électromagnétique de type hélicon – c’est-à-dire se propageant dans l’espace en tournant dans un mouvement de tire-bouchon -, il est possible de produire davantage de plasma. En contrôlant l’intensité de l’onde, on peut donc moduler à souhait la densité du rayon.

En route pour Mercure

L’originalité de ce travail de master réside essentiellement dans l’antenne utilisée pour générer cette onde électromagnétique hélicon. Il s’agit d’une source spécifiquement conçue et développée à l’EPFL par la start-up Helyssen, dont la configuration permet de réaliser des modèles particulièrement petits et légers. Des arguments non négligeables en matière de technologies spatiales. «Ma tâche consistait à tester cet instrument avec différentes densités et qualités de plasma afin de trouver les plus adaptées à une utilisation dans l’espace», décrit Félicien.

L’aventure ne s’arrête pas là. L’année prochaine, l’étudiant la passera à l’Agence spatiale européenne (ESA), où il travaillera sur un système de propulsion à plasma pour la mission BepiColombo, qui doit envoyer deux sondes en 2018 à destination de la planète Mercure.