Développer de nouveaux propulseurs pour satellites en remplacement de l'hydrazine toxique permettrait de sécuriser le lancement et la manipulation des satellites mais cela nécessite également de perturber les systèmes actuels, selon les chercheurs.

Alors que le nombre de satellites augmente, il en sera de même de la quantité de carburant que nous utilisons pour les lancer. Et entrer en orbite n'est que la moitié de l'équation. Une fois qu'un satellite est en position au-dessus de la Terre, il a besoin d'une méthode de propulsion pour s'assurer qu'il peut se déplacer si nécessaire, éviter les débris spatiaux, compenser la traînée dans le temps, et même se désorbiter à la fin de sa mission.

Le propulseur standard actuel pour les satellites est un carburant à base d'hydrazine, qui est hautement toxique. L'exposition à des niveaux élevés d'hydrazine peut causer une foule de problèmes de santé, y compris les dommages au foie, reins et système nerveux central. Si de l'hydrazine se déverse alors qu'un satellite est encore au sol, sa nature violente et explosive peut devenir un problème de sécurité publique.

La préparation d'un satellite à hydrazine pour l'espace est une tâche dangereuse nécessitant des précautions particulières pour toute personne impliquée, y compris des vêtements semblables à des combinaisons spatiales qui garantissent, si quelque chose tournait mal, les personnes qui manipulent le carburant ne respirent pas le gaz lui-même. "Ils ressemblent un peu à un bonhomme Michelin, " a déclaré le Dr Norbert Frischauf, partenaire du cabinet de conseil spatial SpaceTec Partners en Belgique.

Il n'est donc pas surprenant que les ingénieurs recherchent du nouveau, des moyens plus propres de lancer et de propulser des satellites qui utilisent plutôt des carburants non toxiques. "L'hydrazine est assez désagréable à travailler du point de vue de la santé et de la sécurité, donc nous voyons beaucoup plus d'intérêt pour ce genre de propulseurs, " a déclaré Erikas Kneižys, Directeur de la conception chez NanoAvionics, un équipementier spatial basé en Europe et aux États-Unis.

En 2011, l'Agence européenne des produits chimiques a ajouté l'hydrazine à sa liste de « substances extrêmement préoccupantes », ce qui signifie que son utilisation pourrait bientôt être restreinte.

CubeSats

NanoAvionics est spécialisé dans la technologie des nanosatellites, y compris CubeSats, qui sont des satellites miniatures constitués d'unités en forme de cube de 10 cm, généralement construit à l'aide de composants standard et pesant environ 1 kg chacun. Alors que les petits satellites comme ceux-ci deviennent de plus en plus courants (NanoAvionics dit qu'il y a eu une augmentation de 300 % des lancements de petits satellites entre 2016 et 2020), la demande de propulseurs propres qui leur conviennent est susceptible d'augmenter.

« Il n'y avait pratiquement aucun produit lorsque l'on examine le marché de CubeSat et en particulier lorsque l'on examine la propulsion (chimique) utilisant (du carburant propre), " a déclaré Kneižys. "Nous avons donc vu ce créneau et commencé à y travailler."

Grâce à un projet intitulé EPSS, NanoAvionics a développé un propulseur moins nocif à base de dinitramide d'ammonium, ou ADN, un composé constitué d'azote, oxygène, et l'hydrogène, surtout pour les petits satellites. Le système a été intégré à un satellite pilote et a fait l'objet d'une démonstration en orbite.

Le nouveau système est ce qu'on appelle un monergol, qui fonctionne en faisant passer le carburant sur un catalyseur qui le fait se décomposer, produisant de la chaleur et des gaz qui propulsent le vaisseau spatial. D'autres systèmes utilisent un bipropulseur, dans lequel deux liquides sont maintenus séparés et s'enflamment généralement lors du mélange.

L'utilisation d'un bipropulseur augmente le risque lors de la fabrication, dit Kneižys, car les deux substances pourraient accidentellement entrer en contact et s'enflammer avant qu'elles ne soient censées le faire. "Dans notre monergol, il faut parcourir des kilomètres pour s'assurer qu'il brûle, il est donc relativement bénin et stable par rapport à (la plupart) des systèmes biergols, " a déclaré Kneižys.

Mais ce ne sont pas seulement les satellites plus petits qui pourraient bénéficier d'un propulseur non toxique.

HyproGEO, un projet coordonné par la société aérospatiale Airbus, a également développé un système de propulsion non toxique, cette fois en se concentrant sur les satellites en orbite géostationnaire autour de la Terre. En orbite à 36, 000 km, ces satellites semblent rester à un point fixe au-dessus de la surface de la Terre et sont généralement utilisés pour des choses comme les communications et la diffusion.

"Pour monter là-haut, ça demande beaucoup d'énergie, " déclare le Dr Frischauf de SpaceTec Partners, membre du consortium HyproGEO.

À l'heure actuelle, cette énergie est fournie principalement par des propulseurs à base d'hydrazine. Mais HyproGEO a développé un système de propulsion hybride qui utilise à la place du peroxyde d'hydrogène. Le carburant, qui est à 98% de peroxyde d'hydrogène - par rapport aux 6% environ de solution que vous utiliseriez pour décolorer vos cheveux - est très acide, mais toujours moins risqué à travailler que l'hydrazine. Il se décompose également en oxygène et en eau, éviter le dégagement de fumées nocives pour l'homme.

Les satellites géostationnaires sont conçus pour durer une décennie ou plus, donc le propulseur, qui sert aussi à les manœuvrer une fois en orbite, doit être tout aussi robuste. "Il faut s'assurer qu'il fonctionnera encore après 15 ans, il devrait donc s'agir d'un système simple, car si c'est compliqué il y a toujours un risque que quelque chose casse, " a déclaré le Dr Frischauf.

Hybride

La solution proposée par HyproGEO a été d'utiliser la propulsion hybride, qui consiste à faire passer le peroxyde d'hydrogène sur un catalyseur pour produire de l'oxygène très chaud ainsi que de la vapeur d'eau. Que l'oxygène peut fournir la propulsion par lui-même, ou il peut être utilisé pour enflammer une autre substance pour un coup de pouce supplémentaire. « Quand vous contrôlez le débit de l'oxygène, vous pouvez contrôler la poussée du moteur, " a déclaré le Dr Frischauf.

L'équipe a développé avec succès un moteur d'essai pour stocker le nouveau propergol, a montré qu'il s'est décomposé comme prévu, puis conçu un moteur de fusée utilisant le carburant. Depuis que ces travaux ont été achevés en 2018, La société de défense norvégienne Nammo a utilisé le moteur hybride HyproGEO pour lancer une fusée à 107 km de la surface de la Terre en seulement trois minutes, une échelle de temps typique des fusées suborbitales utilisant des systèmes de propulsion traditionnels.

L'utilisation de ces nouveaux propulseurs ne profite pas seulement aux personnes travaillant avec les carburants toxiques actuels, cela rend l'ensemble de l'infrastructure plus efficace et moins cher également. Kneižys affirme que le système EPSS conçu par NanoAvionics coûte environ un tiers des produits similaires utilisant des propulseurs traditionnels.

Avec tous ces avantages, qu'est-ce qui retient ces nouveaux propulseurs ? Pour un, les systèmes de propulsion hybrides n'ont traditionnellement pas été capables de tirer de longue durée nécessaire pour mettre des satellites en orbite géostationnaire, un problème que HyproGEO a réussi à surmonter.

Et l'industrie a déjà mis en place des procédures pour traiter les carburants traditionnels comme l'hydrazine - la transition vers quelque chose de nouveau nécessite de perturber ces systèmes, dit le docteur Frischauf. « Il faut toujours un peu d'élan, un petit coup de pouce pour s'assurer que la nouvelle technologie peut l'emporter."