Il existe de nombreuses façons d’atteindre Mars, mais il y a toujours des compromis à faire. La propulsion chimique, qui s’est avérée la plus populaire, peut rapidement amener un vaisseau spatial sur la planète rouge. Mais le coût du carburant est élevé, ce qui augmente le coût global de la mission. Les technologies de propulsion alternatives gagnent du terrain dans plusieurs applications dans l’espace lointain. Aujourd’hui, une équipe de scientifiques espagnols a étudié au préalable ce qu’il faudrait pour envoyer une sonde sur Mars en utilisant une propulsion entièrement électrique une fois qu’elle quitterait la Terre.
Les systèmes de propulsion électrique présentent plusieurs avantages par rapport aux fusées chimiques. Même s’ils ne pourront jamais être suffisamment agrandis pour soulever des objets lourds en orbite, une fois dans l’espace, ils sont extraordinairement efficaces pour déplacer les charges utiles là où elles doivent aller. Alors qu’une fusée chimique typique nécessite que 70 à 90 % de sa masse au lancement soit utilisée comme carburant, un système de propulsion électrique peut se contenter de seulement 10 à 40 % de sa masse au lancement comme carburant.
Le compromis à faire est en profondeur. Les systèmes de propulsion électrique ont généralement une poussée inférieure d’au moins quatre ordres de grandeur à celle créée par les fusées chimiques. Dans l’espace, l’impact significatif est que les systèmes de propulsion électrique sont beaucoup plus lents. Mais cela n’est peut-être pas aussi préoccupant pour les missions sans équipage.
Jusqu’à présent, personne n’a pris le temps de réfléchir à la différence qu’il y aurait entre une mission sur Mars pilotée par une propulsion électrique plutôt que chimique. L’étude la plus proche était celle réalisée pour une visite des lunes de Mars, Phobos et Deimos, qui reposait entièrement sur la propulsion électrique. Dans cette étude, les chercheurs ont découvert que l’option de propulsion chimique nécessiterait 2,5 fois plus de masse que l’option de propulsion électrique. Cela réduirait considérablement le coût global de la mission.
Dans ce nouvelle étudePublié dans Acta Astronautique, les chercheurs se sont concentrés sur une trajectoire qui placerait un vaisseau spatial de 2 000 kg sur une orbite polaire autour de Mars entre 300 et 1 000 km. La limite de poids de 2 000 kg a été choisie comme package pouvant contenir des packages scientifiques équivalents à l’orbiteur ExoMars sur lequel l’ESA a travaillé.
Compte tenu de ces contraintes de mission, les chercheurs ont envisagé plusieurs types différents de systèmes de propulsion électrique. Ils ont proposé une exigence supplémentaire : il doit fonctionner à la plage de poussée supérieure de nombreux systèmes de propulsion électrique. Une poussée de 0,1 N est le minimum requis pour entrer avec succès en orbite autour de Mars.
Cette contrainte a conduit au choix du BHT-6000 comme système de propulsion principal de la mission. Il s’agit d’un propulseur à effet Hall qui fonctionne avec une puissance comprise entre 2 kW et 6 kW et peut utiliser des propulseurs de propulsion électrique relativement courants tels que le Xénon et le Krypton. Avec cette sélection de propulsion, il était temps de passer à l’activité préférée de tout astrodynamiste : la modélisation.
Les chercheurs ont utilisé un modèle multi-corps pour cartographier l’impact gravitationnel de la trajectoire sélectionnée. Ensuite, ils ont effectué des simulations d’une mission avec un propulseur chimique standard et le BHT-6000. Ce qu’ils ont découvert semble conforme aux attentes générales quant aux avantages de la propulsion électrique.
En termes de vitesse, la fusée chimique était plus rapide, mais pas de manière flagrante. Une fusée chimique pourrait effectuer le voyage en un peu moins d’un an, tandis qu’une mission propulsée par un BHT-6000 prendrait environ 3,2 ans à compter du lancement. Cependant, le poids du système de propulsion chimique serait 2,4 fois supérieur à celui du système de propulsion électrique. Même avec un coût de lancement relativement conservateur de 10 000 $/kg, cela porterait l’économie d’un système de propulsion électrique à près de 30 millions de dollars par rapport à l’alternative chimique. Tout cela au prix de quelques années supplémentaires de voyage pour mettre la mission en place.
C’est un compromis que de nombreuses agences d’exploration spatiale seraient prêtes à payer en raison de budgets limités. Mais, jusqu’à présent, il ne s’agit que d’un modèle car aucune mission dans l’espace lointain n’est prévue qui utiliserait cette méthode de propulsion électrique comme système de propulsion principal, bien que quelques missions dans l’espace lointain, comme Hayabusa-2, l’aient déjà fait. Cependant, à mesure que la technologie progresse, il devient de plus en plus probable que les futures missions dans l’espace lointain, en particulier celles sans pilote, se rendent sur Mars.
Plus d’information:
Marco Casanova-Álvarez et al, Étude de faisabilité d’une mission de propulsion électrique solaire vers Mars, Acta Astronautique (2024). DOI : 10.1016/j.actaastro.2024.01.001