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SYSTÈMES AÉROSPATIAUX

Propulsion verte

L’Inpe et l’IAE développent un moteur et un carburant durable pour fusées et satellites

Séquence de la réaction chimique entre une goutte de peroxyde d’hydrogène et le carburant formé d’éthanol, d’éthanolamine et de sels de cuivre. La température atteint 900°C et les gaz propulseraient un satellite en orbite. L’expérimentation a été réalisée à l’Inpe, à Cachoeira Paulista

Léo Ramos Chaves

Utiliser un carburant renouvelable pour fusées et satellites, avec un faible taux de toxicité, moins agressif pour la santé humaine et pour l’environnement, est l’objectif de deux groupes de chercheurs brésiliens : un de l’Institut National de Recherches Spatiales (Inpe) et l’autre de l’Institut de l’Aéronautique et de l’Espace (IAE), centre de recherche du Département de Science et Technologie Aérospatiale (DCTA) de l’échelon supérieur de l’Aéronautique. À l’Inpe, des scientifiques du Laboratoire Associé de Combustion et Propulsion (LCP), situé à Cachoeira Paulista (SP), ont développé un nouveau carburant spatial, également appelé propergol, qui est notamment composé d’éthanol et de peroxyde d’hydrogène, ou eau oxygénée. Ce carburant est en cela différent qu’il n’a pas besoin d’une source d’allumage, comme une étincelle, pour entrer en combustion et faire fonctionner le moteur. À l’IAE, situé à São José dos Campos (SP), la recherche menée en lien avec le Centre Aérospatial Allemand (DLR) était destinée à développer un moteur de véhicules lanceurs de satellite fonctionnant à l’éthanol et à l’oxygène liquide.

Les principaux propergols utilisés dans les fusées et les satellites sont l’hydrazine, qui est le carburant, et le peroxyde d’azote, la substance qui provoque la combustion. Ces substances sont performantes dans les propulseurs, mais elles présentent cependant des inconvénients. En plus d’être chers, l’hydrazine et ses dérivés sont cancérigènes, ce qui requiert une manipulation très délicate. Quant au peroxyde d’azote, il peut être fatal après quelques minutes d’exposition en cas de fuite ou de mauvaise manipulation.

La recherche d’un carburant spatial alternatif, moins nocif pour la santé et l’environnement, n’est pas une exclusivité d’institutions brésiliennes. Comme l’observe l’ingénieur Carlos Alberto Gurgel Veras, directeur de la section Satellites, Applications et Développement de l’Agence Spatiale brésilienne (AEB), des « agences spatiales de plusieurs pays – parmi elles la NASA, des États-Unis – font des recherches dans ce sens. Comme le Brésil ne maîtrise pas le cycle de production des propergols traditionnels utilisés dans les moteurs de fusées, développer un carburant alternatif serait une avancée significative pour le secteur ». Avoir un carburant d’acquisition facile dans le pays, en grande partie renouvelable et à prix bas, fait partie des objectifs du développement technologique que vise l’industrie aérospatiale brésilienne. L’Inpe développe depuis plus de 20 ans des petits satellites de collecte de données environnementales et, en collaboration avec la Chine, pour une détection à distance, destinés à la saisie d’images de la surface terrestre. Tous ont été lancés par des fusées étrangères.

IAE Maquette de la fusée L75 développée à l’IAE, qui fonctionne avec de l’éthanol et de l’oxygène liquideIAE

Le Brésil dispose d’une technologie sur les moteurs à propulsion avec des carburants solides pour de petites fusées utilisées dans des expérimentations scientifiques et technologiques. D’après l’ingénieur métallurgiste Daniel Soares de Almeida, responsable du projet à l’IAE, l’objectif principal du Brésil est de « maîtriser les technologies nécessaires pour le développement d’un moteur de fusée fonctionnant au propergol liquide. Pour lancer des satellites de grande taille, il est indispensable d’utiliser ce type de propulsion ».

Spécialiste en carburants de fusées et professeure d’ingénierie spatiale à l’Université Fédérale de l’ABC (UFABC), à São Bernardo do Campo (SP), l’ingénieure chimiste Thais Maia Araujo pense qu’il est important que le Brésil travaille à la création d’un propergol renouvelable pour le secteur : « En plus d’être plus sûr et plus facile à manipuler, le carburant en développement à l’Inpe est moins cher que les propergols traditionnels et a l’avantage d’être durable. L’éthanol est un carburant renouvelable et largement disponible au Brésil ».

La recherche pour la création d’un propergol spatial à base d’éthanol a débuté il y a trois ans à l’Inpe. Coordonné par le chimiste industriel Ricardo Vieira, chef du LCP, le travail a pu compter sur la participation du doctorant Leandro José Maschio, de l’École d’Ingénierie de Lorena de l’Université de São Paulo (USP). Même s’il peut être utilisé dans des fusées, le nouveau carburant est surtout indiqué pour des satellites. « Notre propergol peut être mieux utilisé dans lesdits moteurs d’apogée, utilisés dans le transfert d’orbites de satellites », déclare Vieira. Une fois lancés dans l’espace, ces appareils doivent se positionner sur la bonne orbite et le déplacement se fait par le biais de propulseurs logés dans l’appareil ».

IAE Banc de tests de moteurs à l’IAE, à São José dos CamposIAE

Addition stratégique
D’après Vieira, le nouveau propergol possède une efficacité proche des carburants traditionnels : « la composition contient près de 30 % d’éthanol, 60 % d’éthanolamine [composé organique résultant de la réaction entre l’oxyde d’éthylène et l’ammoniaque] et 10 % de sels de cuivre. […] L’addition d’éthanol a été purement stratégique étant donné que le Brésil est un grand producteur d’alcool. Cependant, nous avons constaté pendant le développement que l’éthanol augmentait la performance du moteur, réduisait le temps d’allumage du mélange et rendait le carburant moins cher ».

Pour faire fonctionner le moteur, le mélange éthanol + éthanolamine + sels de cuivre réagit avec le peroxyde d’hydrogène. Vieira explique qu’ « il fonctionne comme un oxydant en fournissant de l’oxygène à la réaction, élément inexistant dans l’espace. Le peroxyde d’hydrogène se décompose quand il entre en contact avec le carburant. La réaction est catalysée par le cuivre, génère de la chaleur – autour de 900°C –, ce qui provoque l’inflammation de l’éthanol de l’éthanolamine ». Le résultat est la production d’un grand volume de gaz responsable de la propulsion désirée. La combustion spontanée survient directement par le contact des composants chimiques. Le mélange est contrôlé par des logiciels et, si cela est possible, par des techniciens sur Terre.

L’autre avantage est le faible coût. L’Inpe importe de l’hydrazine au prix d’environ 153 euros le kilo (kg) et le peroxyde d’azote à 332 euros le kilo. Vieira précise : « Nous estimons le prix du carburant à base d’éthanol et d’éthanolamine à environ 9 euros le kilo et le peroxyde d’azote à 4 euros le kilo. Comme un satellite transporte plus de 100 kg de propergol, l’économie est grande sur cet aspect, mais relativement petite par rapport au coût final de l’appareil. Néanmoins, si on prend en compte son application future dans les étages des lanceurs de satellites, l’économie devient significative ».

Le carburant à l’éthanol est surtout indiqué pour la mise en orbite des satellites

Pour démontrer la viabilité et le fonctionnement du propergol, l’Inpe a projeté et testé dans son laboratoire un propulseur avec le nouveau carburant. L’opération a été une réussite. Selon Vieira, le prochain stade est de fabriquer un moteur plus grand et de faire des tests à vide, en simulant les conditions de l’espace : « L’AEB a déjà fait part de son intérêt pour financer la fabrication et les tests d’un moteur utilisant le carburant à base d’éthanol. Et Gurgel Varas d’affirmer : « Si nous établissons bien le cycle pour la réalisation du projet et trouvons les bons partenaires, je pense que le moteur à l’éthanol et à l’éthanolamine pourra être prêt dans les dix ans ».

À l’IAE, l’équipe en charge du projet d’un moteur de fusée alimenté par éthanol a fait un pas important avec la réussite des tests. Les tests ont été faits à la fin du deuxième semestre 2016 dans les laboratoires de l’Institut de Propulsion Spatiale du DLR à Lamoldshausen (Allemagne) – collaborateur de l’IAE dans le projet. Le moteur L75 utilise de l’éthanol de meilleure qualité que celui du secteur automobile et de l’oxygène liquide. Son nom fait référence au carburant liquide (L) et à la poussée du moteur (la force qui le pousse) de 75 kilonewtons (kN) – suffisant pour soulever du sol un camion de 7,5 tonnes.

Double performance
Le projet du moteur L75 a débuté à l’IAE en 2008. Cinq ans plus tard, une collaboration a été mise en place avec des techniciens et des scientifiques du DLR. Dans les tests effectués cette année en Allemagne, deux têtes d’injection de carburant ont été testées ; aux concepts distincts, elles ont été développées simultanément par des chercheurs de l’IAE et du DLR. L’objectif des tests était de vérifier des paramètres de performance de carburant et de définir la meilleure technologie propulsive. Les deux têtes diffèrent dans la manière dont le carburant est pulvérisé dans la chambre de combustion et mélangé à l’oxygène.

DLR Test du moteur L75 effectué en 2016 au Centre Spatial Allemand, en partenariat avec des chercheurs brésiliensDLR

De l’avis de l’Allemande Lysan Pfützenreuter, ingénieure aérospatiale et administratrice du projet au DLR, « les principaux objectifs ont été atteints dans cette première série de tests. Un total de 42 allumages a été réalisé avec succès sur une période de 20 jours. Nous avons pu analyser de près, parmi d’autres choses, le comportement et la stabilité du système pendant l’allumage et le démarrage dans la chambre de poussée ». Des analyses préliminaires des résultats ont montré que les deux têtes avaient fait preuve de la même performance.

La coopération entre l’IAE et le DLR remonte à la fin des années 1960, quand le Centre de Lancement de la Barreira do Inferno (CLBI, Rio Grande do Norte) a été utilisé pour lancer des fusées en lien avec des expérimentations scientifiques de l’Institut Max-Planck de Physique Extraterrestre. Vers 2000, la coopération s’est consolidée avec la signature d’un accord pour le développement conjoint d’une fusée-sonde à deux étages, la VSB-30, qui a fait son vol de qualification en 2004. Plus récemment, en 2012, les Allemands ont utilisé une fusée-sonde brésilienne, la VS-40M, pour emmener dans l’espace l’expérimentation Shefex II (Sharp Edge Fight Experiment), dont l’objectif était de développer des technologies tels que les systèmes de protection thermiques pour les navettes spatiales capables d’aller dans l’espace et de revenir sur Terre en supportant les conditions difficiles de rentrée dans l’atmosphère.

D’après l’IAE, il faudra encore une dizaine d’années avant que le moteur L75 effectue son premier vol de qualification, quand tous les paramètres du propulseur seront testés. Le projet a été divisé en quatre étapes (étude de viabilité, projet préliminaire, projet détaillé et qualification). Aujourd’hui, il en est à la conclusion de la deuxième étape. Almeida explique que « la prochaine étape est d’élaborer le projet détaillé, ce qui devra avoir lieu entre 2017 et 2021. Après, pour la période 2022-2026, le moteur entrera dans la phase de qualification, et ensuite il pourra réaliser ses premiers vols ».

À la fin des années 1960, des fusées de l’Institut Max-Planck ont été lancées du Centre de la Barreira do Inferno

Alternatives dans le monde
La NASA et l’ASE ont des projets de propergols qui peuvent remplacer de manière avantageuse l’hydrazine

L’agence spatiale nord-américaine (NASA) prévoit de tester cette année un propergol destiné à remplacer l’hydrazine, le carburant traditionnel des fusées. Baptisé AF-M315E, c’est un liquide à base de nitrate d’ammonium, une substance plus facile à obtenir et moins dangereuse à manipuler que l’hydrazine. Débuté en 2012, le programme GPIM (Green Propellant Infusion Mission) de la NASA compte sur la collaboration du Laboratoire de Recherches de la Force Aérienne des États-Unis, chargé de la création du carburant, et des entreprises américaines Aerojet Rocketdyne, qui a projeté le propulseur, et Ball Aerospace & Technology, qui administre le projet. D’après Ball Aerospace & Technology, le nouveau propergol possède une performance presque 50 % supérieure aux systèmes qui utilisent l’hydrazine. Grâce à cela, un même réservoir peut emporter un volume plus grand d’AF-M315E et augmenter, a priori, la durée des missions spatiales.

Le nouveau propergol est jugé vert par les nord-américains parce qu’il possède des avantages environnementaux : il est notamment moins toxique que l’hydrazine. Il sera utilisé pour manœuvrer un petit satellite dans l’espace. Pendant 13 mois, des altérations seront faites au niveau de l’altitude et de l’inclinaison orbitale du matériel pour démontrer la viabilité du système de propulsion.

L’Agence Spatiale Européenne (ASE) a également des candidats au titre de carburant vert. Un des projets est celui du monopropergol LMP-103S, développé par l’entreprise suédoise Ecaps, partenaire de l’ASE. Le principal ingrédient est une substance connue sous le nom de dinitramide d’ammonium (ADN), obtenue par des processus chimiques dont les résidus sont moins nocifs pour l’environnement par rapport aux autres propergols spatiaux. Entrent également dans sa formation du méthanol, de l’ammoniaque et de l’eau.

D’après l’ECAPS, le nouveau carburant est plus stable, plus efficace et moins dangereux à manipuler que l’hydrazine. Avec lui, il est possible de réutiliser des composants des systèmes propulseurs qui utilisent l’hydrazine.

Publié en juin 2017

Projet
Étude de l’allumage hypergolique du peroxyde d’hydrogène avec de l’éthanol catalytiquement promu (n° 14/23149-2); Modalité Aide à la recherche – Régulière; Chercheur Responsable icardo Vieira (Inpe); Investissement 156 558,58 R$ (BRL)

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