hydrazine, l'un des ergols liquides les plus utilisés pour les systèmes de propulsion spatiale, est également extrêmement toxique. Des chercheurs de l'UE ont développé des catalyseurs 3D pour allumer des propulseurs alternatifs.

L'hydrazine est hautement toxique, corrosif, et cancérigène pour les organismes vivants. En 2011, la Commission européenne a inclus l'hydrazine parmi les candidats à la liste des substances extrêmement préoccupantes, qui est réglementé par le cadre de l'enregistrement de l'évaluation, de l'autorisation et de la restriction des produits chimiques (REACH). Depuis, les universités, des instituts de recherche et des industries de toute l'Europe ont activement exploré et testé des propulseurs non toxiques en tant que remplacement possible des propulseurs à base d'hydrazine.

L'un des projets qui se sont concentrés sur les propulseurs alternatifs pour les systèmes de propulsion spatiale était le projet Rheform. Financé par l'UE, les chercheurs ont travaillé sur l'amélioration des propulseurs à base de dinitramide d'ammonium (ADN). Le remplacement de l'hydrazine par de nouveaux propulseurs rendra la propulsion spatiale plus durable pour les futures missions.

Surmonter les défis actuels

Bien que les propulseurs alternatifs possèdent des caractéristiques qui les rendent hautement souhaitables pour une utilisation dans les lanceurs et les engins spatiaux, ces avantages s'accompagnent de contraintes. La température de combustion du LMP-103S – un mélange d'ADN, l'eau, méthanol et ammoniac – est de 1600 °C, beaucoup plus élevé que celui de l'hydrazine, qui est d'environ 900°C. Pour résister à de telles températures, les chambres de combustion utilisent des matériaux spéciaux conformes à certains critères de l'International Traffic in Arms Regulations (ITAR) aux États-Unis.

Un autre gros problème est que le catalyseur utilisé pour décomposer et allumer le propulseur alternatif doit être chauffé avant l'allumage. Le catalyseur est actuellement préchauffé électriquement à une température d'environ 350°C, ce qui prend environ 30 min avant le tir, pour assurer la décomposition du propulseur. Un temps de pré-allumage aussi long est problématique en situation d'urgence, où un allumage rapide est requis.

« L'équipe Rheform s'est donc focalisée sur la synthèse de catalyseurs nécessitant des températures plus basses pour le préchauffage et l'adaptation des propergols à base d'ADN actuellement existants afin que les matériaux utilisés dans la chambre de combustion soient compatibles avec les matériaux existants disponibles en Europe, » précise le Dr Michele Negri. Pour atteindre cet objectif, des activités de développement ont été menées à la fois sur le développement de catalyseurs et sur l'allumage catalytique.

Faisabilité d'abaisser la température d'inflammation

L'objectif des chercheurs était de construire une chambre de décomposition pour le propulseur capable de "démarrer à froid". Assez tôt, après avoir testé 40 catalyseurs différents dans un réacteur discontinu, l'équipe s'est rendu compte que la teneur en eau des propergols devait être vaporisée avant d'entrer en contact avec la source d'inflammation. La vaporisation a été réalisée en plaçant un lit chauffant à l'entrée de la chambre de combustion. Certains des catalyseurs avaient des températures d'inflammation juste au-dessus de 100°C. Comme le dit le Dr Negri, "Le plan de développement d'un système catalytique capable d'un démarrage à froid complet n'a pas été jugé réalisable."

Les chercheurs ont exploré deux types différents de catalyseurs :des pastilles de catalyseur faites de gros grains et des structures monolithiques à motifs de canaux internes qui permettent au propulseur de s'écouler. Les structures monolithiques sont construites à partir de matériaux céramiques. L'équipe du projet a effectué plusieurs simulations pour bien comprendre l'impact des propriétés des matériaux sur les performances de la structure du catalyseur pour finalement construire une chambre de décomposition efficace.

Parmi les nombreux types de céramiques testés, les chercheurs ont sélectionné des structures en hexaaluminate pour leur excellente résistance aux hautes températures et aux chocs thermiques. Une autre nouveauté introduite par Rheform est l'impression 3D de ces structures en céramique. L'impression 3D leur a permis de produire des monolithes à la géométrie très complexe. "C'est la première fois que des céramiques imprimées en 3D telles que des structures en hexaaluminate sont utilisées pour les propulseurs, " déclare le Dr Negri.

Le vrai potentiel des propulseurs alternatifs

Les agences spatiales européenne et américaine ont classé les propergols verts pour les systèmes de propulsion comme une technologie de haute priorité. L'objectif principal de Rheform était d'améliorer les performances, réduisez les coûts et minimisez l'exposition aux substances nocives avec de nouveaux propulseurs liquides respectueux de l'environnement.

Comme l'explique le Dr Negri, "L'un des gros avantages des propulseurs alternatifs à l'hydrazine est qu'ils sont plus sûrs, tout en diminuant la complexité et le coût des tests, expédition, la manutention et le lancement." Au total, 13 satellites SkySat ont été lancés à partir de 4 emplacements différents, ce qui démontre clairement que ces propulseurs sans hydrazine permettent une flexibilité opérationnelle et permettent le lancement d'engins spatiaux à partir de différents sites.