Investigation of iodine plasmas for space propulsion applications

Investigation of iodine plasmas for space propulsion applications Depuis les années 1960, le gaz privilégié dans le domaine de la propulsion spatiale électrique est le xénon, un atome lourd et facile à ioniser. Néanmoins, bien que produit de la distillation de l’air, a priori inépuisable, la très faible concentration de xénon dans l’atmosphère limite sa production annuelle et la demande grandissante obligent à trouver une alternative pérenne, aux performances comparables.L’iode, élément voisin du xénon dans le tableau périodique, est un candidat viable pour lui succéder malgré sa nature moléculaire et électronégative. Dans ce travail, nous tâchons de comprendre comment et pourquoi l’iode, à l’état plasma, peut envisager sereinement la bataille avec ses concurrents, et notamment le krypton, dans la course à l’espace.L’étude des plasmas d’iode, à basse pression, a été menée dans deux directions complémentaires.D’une part, ont été mis en place et développés, deux montages expérimentaux de plasmas d’iode (un propulseur à grille et une cellule en quartz) au sein desquels de nombreux diagnostiques électriques et optiques (sonde de Langmuir, photodétachement des ions négatifs I-, absorption sur des états atomiques excités, TALIF sur le niveau atomique fondamental) ont été développés et appliqués avec succès, dont certains pour la première fois. Ces travaux expérimentaux ont permis de mesurer les valeurs absolues de différentes espèces du plasmas (électrons, ions négatifs I-, ions positifs, molécules, différence de population entre les deux premiers états atomiques), de mettre en évidence la présence non négligeable d’un état atomique excité à 0.94~eV, de décaler tous les niveaux excités atomiques de 0.167 cm-1 vers le bas par rapport à la table spectroscopique de référence ou encore de mesurer le degré de dissociation moléculaire, avoisinant pour une puissance suffisante, plus de 95 %. Également, la température des atomes a été mesurée et des mécanismes de chauffage bien plus prégnants que dans des plasmas de gaz nobles ont été mis en lumière et discutés.D’autre part, un travail rigoureux de bibliographie sur les données collisionnelles (recensement et questionnement des sections efficaces et taux de réaction mesurés ou calculés) de l’iode atomique et moléculaire, a permis de développer des outils de simulation numérique visant à reproduire le fonctionnement des plasmas d’iode. Premièrement, un modèle global, moyenné en volume et permettant de décrire les caractéristiques essentielles du plasma, a été largement mis à jour avec le nouveau jeu de sections efficaces et enrichi pour prendre en compte le chauffage des espèces neutres. Deuxièmement, un modèle multi-fluide unidimensionnel des trois espèces neutres majoritaires dans un plasma d’iode (atome dans son niveau fondamental, premier état atomique excité et molécule) a été développé afin de simuler leurs densités, vitesses et températures le long de l’axe de poussée du propulseur. Les termes d’inertie et les flux de chaleur de chaque espèce ont été pris en compte.Les comparaisons entre les expériences et les modèles se sont révélées pertinentes et ont permis de dresser plusieurs conclusions. A faible flux d’injection ou faible pression (autour de 1 mTorr pour notre propulseur), le plasma est complètement dissocié et se comporte comme un plasma de gaz noble, composé quasi uniquement d’atomes I, d’ions atomiques positifs I+ et d’électrons. C’est dans ce régime de fonctionnement, où la dissociation est peu coûteuse énergétiquement, que l’iode peut révolutionner le domaine de la propulsion électrique en étant plus efficace que ses concurrents nobles (argon, krypton et xénon) pour produire des ions, et donc engendrer une meilleure poussée. A plus haut débit, en revanche, les molécules ne sont plus négligeables et produisent facilement des ions négatifs I- et moléculaires I2+. Dans ces conditions là, l’iode n’est plus du tout compétitif pour la propulsion, le krypton offrant même de meilleures performances.