Ion-X : des ions « liquides dans une bouteille » pour propulser les satellites

Étudié dès les années 1950 pour des applications de propulsion, le principe de l’électrohydrodynamique (EHD) n’a jamais permis de donner naissance à un système de propulsion véritablement exploitable à l’échelle industrielle et commerciale. Ce principe a, en revanche, contribué au développement d’un outil aujourd’hui utilisé à grande échelle par l’industrie des semi-conducteurs : le « focused ion beam » (FIB), ou sonde ionique focalisée. Le Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N) travaille avec cette technologie depuis les années 80 et a été le premier laboratoire français à en bénéficier. Revenant en quelque sorte aux sources de l’exploitation de l’électrohydrodynamique, le C2N travaille depuis deux ans au développement d’un propulseur basé sur ce principe. Un travail qui a abouti en mai dernier à la création de la start-up Ion-X. Une levée de fonds de près de 2 millions d’euros réalisée en fin d’année dernière va permettre à la jeune pousse d’industrialiser son nouveau propulseur. Ingénieur de recherche CNRS au C2N et Directeur technique d’Ion-X, Jacques Gierak nous dévoile le fonctionnement et les spécificités de la technologie développée par la jeune entreprise, en compagnie de son Président, Yves Matton.

Techniques de l’Ingénieur : Quelles sont les origines de la technologie de propulsion que vous avez développée ?

Jacques Gierak : Nous utilisons une source d’ions qui a été inventée, à la base, pour le spatial dans les années 50 : le propulseur électrohydrodynamique (EHD). Ce type de propulseur n’a jamais volé jusqu’à très récemment. Mais vingt ans plus tard, il a donné naissance au « focused ion beam » (FIB), un « scalpel d’ions » qui permet de venir localement graver de la matière. Il s’agit d’une approche qui est maintenant quasi universelle dans l’industrie des semi-conducteurs. Cet outil est développé par le Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N) depuis le milieu des années 80. Nous avons été le premier laboratoire en France à avoir un FIB.

En 2009, le MIT¹ nous a sollicités afin d’avoir notre aide pour mettre au point une source d’ions fonctionnant non plus avec un métal liquide, comme c’était le cas jusqu’alors, mais avec un sel fondu à température ambiante, ce sel à température ambiante étant développé par le MIT pour de la propulsion spatiale.

En 2017, ayant pris connaissance de notre capacité à développer des sources d’ions à partir de ces liquides ioniques, le CNES² nous a demandé si nous serions intéressés par un travail autour de la propulsion spatiale… À partir de là, nous avons travaillé pendant deux ans sur ce sujet et finalement proposé un concept.

Qu’est-ce que le liquide ionique que vous évoquez ? Quelle est sa nature et quelles sont ses propriétés ?

Jacques Gierak : Un liquide ionique est tout simplement un sel, comme le sel de table, mais avec une caractéristique essentielle : son état liquide à température ambiante. Il n’est pas toxique, son prix reste modéré et il est abondamment disponible ; ce qui n’est pas le cas de gaz, comme le xénon, très rares et très chers. Nos collègues du MIT appellent cela « un plasma dans une bouteille ».

Comment le principe de l’électrohydrodynamique fonctionne-t-il ?

Jacques Gierak : Le fonctionnement de l’électrohydrodynamique est très simple : on dépose le liquide ionique sous forme de goutte sur une pointe, qui va localement faire rayonner un champ électrostatique lorsqu’elle est polarisée. Lorsque le champ électrostatique devient supérieur à l’énergie de cohésion du liquide ionique, on vient le « casser » électrostatiquement et en extraire des anions et des cations. Ce qui fait la beauté de cette source est qu’elle peut émettre des ions positifs et négatifs. Cela avec un processus relativement simple : toute l’énergie électrique apportée l’est pour casser une liaison chimique. Il n’est pas nécessaire de chauffer, ni d’induire de réaction, de contrôler de pression ou d’avoir de processus annexe qui consommerait lui aussi de l’énergie.

Qu’est-ce qui fait la spécificité de la technologie que vous avez développée sur la base de ce principe ?

Jacques Gierak : Notre technologie est protégée par trois brevets. Le premier d’entre eux concerne la fabrication d’un réseau de pointes, sur lequel on vient faire circuler le liquide ionique. Provenant d’un réservoir de stockage, ce liquide va être transporté là où l’on applique le champ électrostatique le plus important. Le champ rayonne entre l’extrémité des pointes et la grille d’extraction, produisant un faisceau qui va partir et être accéléré. On extrait des particules très rapides – plusieurs centaines de kilomètres par seconde – dès le départ, ce qui provoque une poussée.

Tout cela fonctionne notamment avec des nanofils, nous avons donc marié les technologies des nanosciences, que nous connaissons bien au laboratoire, avec une technologie de fabrication qui nous permettra, à terme, d’avoir des composants faciles à produire et à coût modéré.

Nous avons également développé un système de pilotage. Le moteur étant à la fois asservi par le flux du faisceau et la vitesse que l’on veut donner à ce panache, on a deux entrées pour réguler le moteur.

Le troisième brevet, enfin, porte sur le fait de pouvoir équilibrer les charges positives et négatives, de façon à ce que le vaisseau – le satellite – ainsi que le faisceau lui-même restent neutres.

Concrètement, de quoi le moteur est-il constitué ? Quelles sont ses caractéristiques ? À quoi ressemble-t-il ?

Yves Matton : Il rassemble trois briques technologiques. Il est tout d’abord constitué d’une dalle d’émission, c’est le cœur du processus d’émission que nous venons de détailler. À cela s’ajoute un réservoir, très simple, qui n’est pas sous pression. Il contient uniquement le liquide ionique inerte. Le dernier élément est la partie de contrôle de la tension et du courant pour générer la tension d’émission. Cet élément est en communication avec le vaisseau pour recevoir les ordres de propulsion.

Notre moteur fait partie de la gamme des propulseurs électriques, comme les moteurs à effet Hall par exemple. Son alimentation est assurée par les panneaux solaires du satellite. La principale différence par rapport aux autres technologies est qu’il n’y a pas d’énergie perdue pour créer les ions. Ces ions sont « liquides dans une bouteille », et on a juste à venir les dissocier et les accélérer, ce qui est très efficace d’un point de vue énergétique.

L’ISP (impulsion spécifique) de ce moteur est excellente et il tient, pour l’instant, dans un cube de 1U (1 000 cm³).

Jacques Gierak : Avec l’intégration de toute l’électronique, l’objectif est d’arriver, à terme, à un tiers de U pour une mission de plusieurs années avec un CubeSat.

Yves Matton : Et en ce qui concerne son architecture, le moteur se présente sous forme de dalle, ou tile en anglais. L’idée est de pouvoir les juxtaposer afin d’en mettre autant que nécessaire. Il pourra donc être utilisé du CubeSat jusqu’au microsat (soit une gamme de satellites de 1 à 300 kg).

Où en est aujourd’hui le développement de ce propulseur ? Quand pourrait-il équiper un premier satellite ?

Yves Matton : L’objectif est de terminer la qualification spatiale en 2023, avec au moins un lancement pour une mission en orbite, afin de faire la démonstration de la fiabilité et des performances du moteur in-situ. À la suite de cela, nous pourrons ouvrir le carnet de commandes… Nous sommes d’ailleurs déjà en discussion avec plusieurs fabricants de satellites, qui montrent un fort intérêt pour ce moteur. Que ce soit en matière de facilité d’intégration, de performances, ou d’efficacité d’utilisation du carburant, le moteur répond bien aux attentes dans le domaine.

Par rapport à d’autres technologies, où le coût de ce moteur pourrait-il se situer ?

Yves Matton : Le rapport qualité/prix sera forcément plus intéressant. Ce moteur étant issu d’un laboratoire de micro et nanoélectronique, les procédés de fabrication que nous avons choisis sont des procédés facilement transposables à plus grande échelle. Lorsqu’il s’agira d’augmenter les volumes, nous bénéficierons donc d’un effet d’échelle qui contribuera à faire baisser les coûts.

(1) Massachusetts Institute of Technology

(2) Centre national d’études spatiales