La propulsion ionique : la tortue qui bat le lièvre
Une poussée comparable au poids d'une feuille de papier, mais tenue pendant des années : les moteurs ioniques ont mené Dawn jusqu'à Vesta et Cérès, et ils maintiennent à leur poste une foule de satellites.
Un moteur de fusée chimique est un sprinteur : il délivre une poussée colossale pendant quelques minutes, puis s'éteint. Le moteur ionique est un coureur de fond. Sa poussée est si faible qu'elle ne soulèverait pas une feuille de papier sur Terre, mais il peut fonctionner sans interruption pendant des mois, voire des années. Dans le vide, où rien ne freine, cette patience finit par l'emporter : à masse de carburant égale, un moteur ionique donne à une sonde bien plus de vitesse qu'un moteur chimique.
Accélérer des atomes avec de l'électricité
Le carburant habituel est le xénon, un gaz rare. La NASA explique pourquoi : il s'ionise facilement, ses atomes sont lourds, il est chimiquement inerte et se stocke sous forme dense. Dans la chambre du moteur, des électrons bombardent les atomes de xénon et leur arrachent un électron. On obtient des ions positifs, que deux grilles finement percées et alignées, portées à des tensions différentes, accélèrent très fortement. Les ions sortent à des vitesses qui peuvent atteindre environ 40 km/s, sept à dix fois plus vite que les gaz d'un moteur chimique. À la sortie, une cathode émet des électrons pour neutraliser le faisceau, sans quoi la sonde se chargerait électriquement.
L'énergie ne vient pas d'une combustion mais d'une source électrique, en général des panneaux solaires. C'est la grande différence avec la chimie : la vitesse d'éjection n'est plus limitée par l'énergie d'une réaction, mais par la puissance électrique disponible. D'où le compromis de cette technique : une vitesse d'éjection très élevée, donc une grande économie de carburant, mais une poussée faible.
Deep Space 1 et Dawn, la preuve par l'espace
L'idée n'est pas neuve. Le premier essai dans l'espace d'un moteur de ce type, l'expérience américaine SERT 1, date du 20 juillet 1964. Mais il faut attendre Deep Space 1, lancée le 24 octobre 1998, pour qu'une sonde interplanétaire utilise un moteur ionique comme propulsion principale. Son moteur NSTAR a fonctionné 16 246 heures, un record à l'époque, et l'a menée près de l'astéroïde Braille en juillet 1999, puis de la comète Borrelly en septembre 2001.
La sonde Dawn, lancée le 27 septembre 2007, a poussé la méthode beaucoup plus loin. Ses trois moteurs de 30 cm de diamètre, utilisés un à la fois, produisaient chacun 91 millinewtons : selon la NASA, l'équivalent du poids d'une feuille de papier tenue dans la main. Il lui fallait quatre jours pour passer de 0 à 97 km/h. Mais en plus de 2 000 jours de fonctionnement cumulé, avec 425 kg de xénon, Dawn a accumulé un gain de vitesse sans équivalent : dès 2013, il dépassait 8 km/s, près du double du record de Deep Space 1.
Cette endurance lui a permis ce qu'aucune sonde n'avait fait : se placer en orbite autour de l'astéroïde géant Vesta en 2011, en repartir, puis rejoindre la planète naine Cérès en 2015. La mission s'est achevée fin 2018, quand la sonde a épuisé l'hydrazine de ses petits propulseurs d'orientation. Dawn tourne toujours autour de Cérès, devenue silencieuse.
BepiColombo, cap sur Mercure
La mission européano-japonaise BepiColombo, lancée en octobre 2018, emporte un module de transfert équipé de quatre moteurs ioniques T6, qui peuvent fonctionner par paires et délivrer jusqu'à 290 millinewtons. Ils se combinent à neuf survols planétaires pour freiner la sonde dans sa chute vers le Soleil. En avril 2024, un problème électrique a réduit la puissance disponible pour ces moteurs ; l'ESA a redessiné la trajectoire, et la mise en orbite autour de Mercure a été reportée à novembre 2026.
Et sur Terre ?
La propulsion électrique est d'abord une affaire de satellites. Selon la NASA, plus de cent satellites de télécommunication en orbite géostationnaire utilisaient déjà, au milieu des années 2010, des moteurs ioniques pour se maintenir précisément à leur poste. En mars 2015 ont été lancés les deux premiers satellites « tout électriques », qui rejoignent même leur orbite définitive par propulsion électrique. Moins de carburant à bord, c'est un satellite plus léger, donc moins coûteux à lancer, ou plus de capacité utile pour le même prix.
Une variante plus audacieuse consiste à puiser son carburant dans la haute atmosphère elle-même, pour permettre à des satellites de voler très bas sans réservoir et d'offrir des images plus fines aux services de secours et à l'agriculture (voir la marche A-SPC-08).
Reste une limite : loin du Soleil, les panneaux solaires ne fournissent plus assez d'électricité, et les propulseurs électriques qui ont volé ne dépassent guère quelques kilowatts. Pour envoyer des sondes à des centaines d'unités astronomiques, il faudra des réacteurs nucléaires embarqués et des propulseurs électriques bien plus puissants, capables de tourner pendant des décennies (voir la marche A-SPC-18).