L'ingénieur Aero/Astro Ken Hara développe des modèles informatiques pour aider à faire connaître, mais moteur propulseur largement utilisé plus adapté aux missions longue distance.

Quand la plupart des gens pensent aux voyages dans l'espace, ils imaginent des fusées comme l'imposante Saturn V qui a envoyé les astronautes d'Apollo sur la lune.

La majeure partie de cette énorme fusée consistait en du carburant qu'elle brûlait pour lancer une minuscule, capsule spatiale transportant l'équipage en orbite. Là, libre de la gravité terrestre, de petites rafales de propulseurs à combustible ont guidé la capsule spatiale Apollo vers la lune et retour.

Depuis, les scientifiques ont développé des technologies alternatives de propulseur qui ne brûlent pas de combustibles lourds. Au lieu, ces propulseurs ionisent des gaz stables comme le xénon et le krypton, utiliser l'électricité des cellules solaires pour retirer les électrons des atomes de gaz afin de créer un flux d'ions chargés positivement, appelé plasma. Le vaisseau spatial pousse ce plasma hors de son échappement pour se propulser à travers le vide en apesanteur.

De tels propulseurs, connu sous le nom de moteurs à propulsion électrique, ou propulseurs à plasma, activent actuellement des centaines de GPS, les satellites militaires et de communication effectuent de minuscules corrections de cap et maintiennent des orbites stables. Mais maintenant, les scientifiques développent une nouvelle génération de propulseurs ioniques capables d'envoyer des engins spatiaux sur des missions longue distance dans tout le système solaire, comme le module Deep Space 1 qui a visité l'astéroïde 9969 Braille et la comète Borrelly, et le vaisseau spatial Dawn qui a voyagé jusqu'à la ceinture d'astéroïdes entre Mars et Jupiter.

"Les propulseurs à plasma représentent l'avenir de l'exploration spatiale, " a déclaré Ken Hara, professeur assistant d'aéronautique et d'astronautique, qui aide à développer des modèles informatiques pour rendre les moteurs ioniques plus puissants, efficace et utile.

Hara dit que les propulseurs à plasma présentent un certain nombre d'avantages par rapport à leurs prédécesseurs. Pour commencer, les gaz ionisés utilisés comme propulseurs dans les propulseurs à plasma pèsent moins que les carburants brûlés par les propulseurs de l'ère Apollo. Chaque livre que le vaisseau spatial économise en réduisant sa charge de carburant signifie plus de poids pour transporter une charge utile scientifique plus importante. De plus, une fois qu'un vaisseau à plasma est dans l'espace, il peut accélérer au fil du temps d'une manière que les engins à combustion ne peuvent pas, donnant finalement à ces moteurs légers un avantage de vitesse également.

Comprendre pourquoi il en est ainsi implique un concept appelé vitesse d'échappement, c'est-à-dire la vitesse à laquelle un propulseur sort d'un moteur. Un moteur à combustion traditionnel brûle un énorme volume de carburant mais à une faible vitesse d'échappement, une combinaison qui produit une poussée énorme. Pensez à une fusée sur la rampe de lancement, se déplaçant lentement d'abord car il est soulevé par un grand tourbillon de flammes, puis accélérant alors que l'énorme poussée générée brise l'emprise de la gravité et projette la fusée vers le ciel.

Par contre, un moteur à plasma est conçu pour un environnement différent, propulsant un vaisseau spatial qui se trouve déjà dans un environnement à faible ou sans gravité. Le moteur à plasma le fait en émettant des particules ionisées à des vitesses d'échappement extrêmement élevées, mais de très faibles volumes, propulser le vaisseau spatial avec ce qui pourrait être assimilé à des bouffées de souffle. Dans le vide de l'espace, sans rien pour diminuer l'élan vers l'avant du vaisseau spatial, ces bouffées de poussée ionisée permettent au navire de prendre de la vitesse au fil du temps, aller à la fois plus vite et plus loin que les engins spatiaux à combustible.

Hara, qui a récemment été honoré par l'Electric Rocket Propulsion Society, crée des modèles informatiques pour aider à améliorer encore plus les propulseurs à plasma en explorant comment les plasmas peuvent atteindre des vitesses d'échappement plus rapides et plus puissantes. Faire cela, il doit développer des modèles informatiques qui résolvent de nouvelles équations et vérifier qu'elles sont correctes sous une analyse mathématique rigoureuse. Il doit ensuite valider ces résultats en comparant ses prédictions mathématiques avec ce que les scientifiques expérimentaux démontrent dans les propulseurs à plasma du monde réel. « Sommes-nous mathématiquement sains, et nos modèles sont-ils physiquement corrects?", demande Hara de manière rhétorique. "C'est là que se trouve ma vérité."