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Chercheurs à l'Université polytechnique de Madrid (UPM) et de l'Université Carlos III de Madrid (UC3M) ont conçu et breveté un nouveau système de satellites qui permet produire de la puissance électrique et pousser à bord sans utiliser de tungstène. Cette innovation, qui a donné lieu à deux brevets nationaux, a suscité l'intérêt de la Agence spatiale européenne et des industries spatiales.

Le système est basé sur ce qu'on appelle une "marche spatiale à faible fonction de travail," une bande d'aluminium d'environ 2 centimètres de large, 50 microns d'épaisseur et plusieurs kilomètres de longueur, recouverte d'une fine couche d'un matériau qui facilite l'émission d'électrons lors de l'éclairage et du chauffage par le soleil. La bande, qui est enveloppée sur une bobine pendant le lancement, est déployée une fois en orbite. Grâce à un effet électrodynamique, l'amarrage produit passivement une puissance utile à bord tout en descendant la hauteur de l'orbite du satellite. S'il est équipé d'une source de puissance, une force sur l'amarrage qui augmente la hauteur du satellite apparaît. " Il s'agit d'une technologie à fort potentiel de disruption, qui permet de transformer l'énergie orbitale en électricité et vice versa sans utiliser aucun type de consommables," explique un des auteurs des brevets, Gonzalo Sánchez Arriaga, chercheur Ramón et Cajal du département de Bioingénierie et Ingénierie Aérospatiale de l'UC3M. "A la différence des systèmes de propulsion actuels, une amarre spatiale à faible fonction de travail n'a pas besoin de perméabilité et utilise des ressources naturelles de l'environnement spatial telles que le champ géomagnétique, le plasma ionosphérique et le rayonnement solaire," ajoute-t-il.

brevets nationaux

Les deux brevets, appelés'production de puissance électrique pour satellites par des conducteurs électrodynamiques flottants' et 'système de propulsion électrique pour les satellites à l'aide de conducteurs électrodynamiques flottants', fonctionnent en exploitant un effet électrodynamique connu sous le nom de freinage de Lorentz.

Dans la vie quotidienne, nous connaissons mieux le freinage aérodynamique, mais celui de Lorentz peut aussi être facilement observé en laissant tomber un aimant à l'intérieur d'un tube en cuivre. "Les amarres spatiales font l'objet d'une enquête depuis des décennies et se sont envolées dans plus d'une vingtaine de missions spatiales. Les schémas de brevets considèrent pour la première fois les photoélectrones émis naturellement par l'amarrage lorsqu'ils sont éclairés par le Soleil et évitent ainsi l'utilisation d'émetteurs d'électrons actifs. Nous pensons qu'il s'agit d'une simplification très importante qui peut contribuer au développement de la technologie d'amarrage," indique un autre des auteurs des brevets, Claudio Bombardelli, du groupe de recherche en Dynamique spatiale de l'UPM.

Applications possibles

Le système fournit une puissance utile en orbite pendant que le satellite est désorbité, c'est-à-dire que la hauteur de l'orbite est réduite jusqu ' à ce qu ' il soit réincarné et brûlé dans l'atmosphère. À cet égard, "cette technologie est idéale pour éliminer les déchets spatiaux," soulignent les chercheurs. En outre, si le satellite a une puissance à bord, l'amarrage peut fonctionner de manière inverse et générer une poussée qui augmente la hauteur du satellite. "C'est particulièrement intéressant pour la Station spatiale internationale, car il faut actuellement consacrer régulièrement une quantité importante de tungstène pour générer une poussée qui compense la hauteur perdue par la résistance aérodynamique," note Gonzalo Sánchez Arriaga. "Les schémas proposés dans les brevets pourraient compenser cette résistance sans avoir besoin de tungstène et en utilisant l'énergie fournie par les panneaux solaires de la station," ajoute-t-il.

En raison de leur simplicité, de leur caractère passif et de leur absence de consommables, les amarres à faible fonction de travail sont une technologie idéale comme système de production de puissance et de propulsion en orbite, selon les chercheurs. Les chercheurs ont fourni des informations sur les amarres à faible fonction de travail à l'Agence spatiale européenne et sont en contact avec des experts aux États-Unis et au Japon. En outre, des entreprises du secteur aérospatial, comme SENER, se sont intéressées à cette innovation.

Les prochaines étapes comprennent l'extension des brevets au niveau européen et le lancement de la fabrication de prototypes à petite échelle. " Le plus grand défi est sa fabrication, car l'amarrage doit rassembler des propriétés optiques et d'émission électronique très spécifiques ," explique Sánchez Arriaga. "Le ministère espagnol de l'économie, de l'industrie et de la compétitivité vient de nous accorder une petite aide pour explorer des matériaux très prometteurs. Nous coordonnons également un consortium international qui vient d'envoyer une proposition FET-OPEN à la Commission européenne. S'il était financé, ce serait le projet fondateur pour les amarres à faible fonction de travail, puisque la première serait fabriquée à l'échelle réelle et qu'un kit de désorbitation serait préparé pour la première fois sur la base de cette technologie qui pourrait être testé dans une mission spatiale."

Référence des brevets:

"Système de propulsion en orbite à l'aide de câbles conducteurs flottants". Auteurs: Claudio Bombardelli, Gonzalo Sánchez Arriaga. Copropriété: Université polytechnique de Madrid et Université Carlos III de Madrid. Patent ES2569540, WO2017081351

"Système de production de puissance électrique en orbite à l'aide de câbles conducteurs flottants". Auteurs: Claudio Bombardelli, Gonzalo Sánchez Arriaga. Copropriété: Université polytechnique de Madrid et Université Carlos III de Madrid. Patent ES2562713, WO2017081350

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Université polytechnique de Madrid

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