Le propulseur ICE-Cube : une innovation pour les nanosatellites

Développé à l’Imperial College de Londres dans le cadre du programme de soutien technologique général (GSTP) de l’Agence spatiale européenne (ESA), le propulseur ICE-Cube (Iridium Catalysed Electrolysis CubeSat Thruster) est un moteur-fusée à l’échelle microscopique.

Conçu pour répondre aux besoins du marché en pleine expansion des petits satellites, ce propulseur utilise l’hydrogène et l’oxygène produits par l’électrolyse de l’eau et génère une poussée de seulement 4,5 mN.

Dans un monde où les satellites miniaturisés deviennent de plus en plus courants, une nouvelle technologie de propulsion promet de révolutionner la manière dont ces petits engins spatiaux sont propulsés. Le propulseur ICE-Cube demeure un système innovant qui utilise l’électrolyse pour générer de la poussée sans avoir besoin de stocker de grandes quantités de carburant gazeux.

Conçu pour manœuvrer les plus petites classes de satellites, le fonctionnement du propulseur ICE-Cube repose sur l’électrolyse.

Évitant toute nécessité de stockage encombrant de propergol gazeux, un électrolyseur associé fait passer un courant de 20 watts à travers l’eau pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène afin de propulser le propulseur.

Le propulseur ICE-Cube est si petit – avec sa chambre de combustion et sa tuyère mesurant moins de 1 mm de longueur – qu’il ne pouvait être assemblé qu’en utilisant une approche MEMS (Micro-Electrical Mechanical Systems), empruntant des méthodes du secteur de la microélectronique.

Une campagne de tests a atteint 1,25 millinewtons de poussée avec une impulsion spécifique de 185 secondes de manière soutenue. Les tests ont eu lieu dans le cadre d’une activité de démonstration de faisabilité du programme de soutien technologique général de l’ESA, afin de prouver la faisabilité du propulseur dans un environnement de laboratoire.

Les données expérimentales recueillies au cours de cette activité aideront à orienter le développement d’un modèle d’ingénierie représentatif du système de propulsion, y compris l’électrolyseur. Ce développement sera dirigé par URA Thrusters en collaboration avec l’Imperial College.

Un défi de taille pour les ingénieurs

Créer un propulseur fonctionnant à une échelle aussi réduite représente un défi unique pour les ingénieurs. Pour mieux comprendre, le moteur principal de la navette spatiale (RS-25) possède environ un demi-milliard de fois plus de poussée que l’ICE-Cube. Les nanosatellites, qui pèsent moins de 10 kg et représentent environ 90 % des lancements de satellites en 2017, ont des contraintes très strictes qui rendent l’intégration d’un système de propulsion difficile.

Le système de propulsion doit être très petit, fonctionner avec une faible consommation d’énergie et utiliser des propergols non pressurisés et non toxiques. L’ICE-Cube répond à ces exigences en utilisant un électrolyseur pour séparer l’eau en hydrogène et oxygène dans l’espace et les alimenter directement au propulseur.

Les avantages du propulseur ICE-Cube

Les principaux avantages du système ICE-Cube sont la facilité de stockage d’un propergol non dangereux dans des réservoirs compacts et légers, ainsi que les performances très favorables de l’hydrogène et de l’oxygène.

Par ailleurs, l’électrolyse de l’eau nécessite seulement une fraction de la puissance des dispositifs de propulsion électrique comparables, ce qui est bien dans la plage de puissance disponible pour les nanosatellites.

Une fabrication innovante grâce aux MEMS

La fabrication d’un propulseur aussi minuscule n’est pas réalisable avec les techniques de fabrication conventionnelles (la chambre de combustion et la tuyère mesurent moins de 1 mm de longueur) et ne peut être accomplie qu’en utilisant une approche MEMS (Micro-Electrical Mechanical Systems).

Cette méthode, également utilisée pour fabriquer des micro-électroniques tels que les processeurs, permet de travailler les plaquettes de silicium avec une précision submicrométrique. L’approche est également intrinsèquement évolutive et permet de produire des propulseurs en grandes séries à un coût unitaire exceptionnellement bas.

Ces techniques de fabrication ont été mises en place grâce au développement du propulseur ICE-200, une variante à poussée supérieure (1 N) développée à l’Imperial College de Londres.

En synthèse

Le propulseur ICE-Cube est une innovation majeure pour le marché des nanosatellites. Grâce à son utilisation de l’électrolyse de l’eau et à sa fabrication innovante basée sur les MEMS, il répond aux exigences strictes de ce secteur en pleine croissance. Les avantages du système, tels que la facilité de stockage et les performances élevées, en font une solution prometteuse pour les futurs projets de nanosatellites.

Légende illustration principale : Ce minuscule propulseur spatial de la longueur d’un ongle fonctionne avec le carburant le plus écologique qui soit : l’eau. Credit / URA Thrusters