Dans cette salle blanche du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N), Ion-X confectionne son moteur ionique qui, dès 2024, devrait propulser de petits satellites placés en orbite basse autour de la Terre. Président-directeur général de cette deeptech francilienne créée en 2021, Thomas Hiriart insiste sur la particularité de la technologie que ses équipes et lui-même mettent en oeuvre en ce lieu : « Notre moteur est très différent des autres types de propulsion électrique. »
Les pièces maîtresses de ce moteur sont des surfaces hérissées de pointes de taille nanométrique, au nombre de plusieurs milliers au centimètre-carré. S’y ajoute le carburant : du liquide ionique, inerte, qui se dissocie en cations et en anions après l’action d’un champ électrique.
Si, théoriquement, ce moteur opère de manière assez similaire aux autres moteurs électriques employés dans l’espace - un champ électrique accélère des particules chargées à haute vitesse -, il fait appel au principe singulier de l’électro-hydrodynamique.
Des cônes de Taylor coiffant des nano-pointes
Ingénieur diplômé de Supaero, Thomas Hiriart décortique les mécanismes physiques qui entrent en jeu : « Issu du réservoir, le carburant, qui demeure toujours à l’état liquide, monte au sommet des pointes par capillarité. Sous l’effet d’un champ électrostatique, il donne naissance à des cônes dits de Taylor. » Il s'agit d'une sorte d'excroissance de liquide prenant la forme d'un cône, stabilisé par la tension de surface… jusqu’à un certain point.
Ion-x « Au-delà d’un certain seuil, la force électrique devient prépondérante, poursuit-il. Les ions sont alors éjectés à une vitesse de plusieurs centaines de kilomètres/seconde et on obtient un régime ionique pur. » Une animation présentée sur le site web de la deeptech illustre ce phénomène physique. Le matériau composant les nano-pointes et la formulation du liquide ionique sont gardés confidentiels.
Cette technique dite du « faisceau d’ions focalisés » a été inventée dans les années 1980 par Jacques Giérak et sert encore aujourd’hui pour la nanogravure en nanoélectronique. C’est en 2021 que ce chercheur au CNRS a cofondé Ion-X, en partenariat avec Technofounders (une structure qui apporte un capital d’amorçage).
Le CNRS et le CNES avaient établi l’année précédente qu’il s’agissait d’une base technologique aux performances suffisamment intéressantes pour mettre au point un propulseur à électrospray, une expression qui signifie que la poussée provient de l’accélération de particules chargées.
Un moteur assez puissant ou assez endurant
D’après Thomas Hiriart, la technologie de Ion-X a l’avantage d’être polyvalente : « On peut pousser relativement fort, ou on peut pousser très longtemps. » Ces deux indicateurs, la force de la poussée et l’impulsion spécifique (qui désigne l’efficacité d’un moteur), sont essentiels aux yeux des fabricants de satellite pour les principales manœuvres en orbite : mise à poste, maintien en altitude, évitement de débris et désorbitation.
Dans un cas comme dans l’autre, le moteur au format 1U - l’équivalent d’un cube de 10 centimètres de côté – de Ion-X tiendrait la comparaison avec ses concurrents, à en croire Thomas Hiriart : « Nous espérons qu’il pourra développer une force supérieure à 1 millinewton, soit, à dimensions identiques, le double de ce qui se fait actuellement. Quant à l’impulsion spécifique, nous visons au-dessus de 5000 secondes, ce qui est là encore un facteur 2 en comparaison avec l’existant. »
Y compris le moteur ionique de la deeptech américaine Accion Systems, fondée par des anciens du MIT, à la technologie semblable mais aux brevets bien distincts. Pour la petite histoire, racontée par Ion-X sur son site web, le MIT s’était rapproché du CNRS au début des années 2010 pour travailler sur cette technologie à destination des nanosciences.
Cette famille de propulseurs réduit en plus les contraintes opérationnelles des fabricants de satellites, explique Thomas Hiriart : « Le carburant n’est pas toxique et ne change pas d’état, ce qui élimine le temps de chauffe et donc la part de la consommation électrique ad hoc. Sans oublier que le panache de sortie est froid, favorisant les manœuvres furtives. » Dit autrement, les applications militaires sont un débouché possible, en complément de tous les petits satellites placés en orbite basse à des fins d’observation scientifique, de télécommunications et d’IoT.
L'ingénierie du système complet reste à faire
Mais le moteur d’Ion-X doit parcourir encore un peu de chemin avant d’arriver là-haut. « Si la partie propulsive fonctionne, il nous reste à terminer l’ingénierie du système complet », confie Thomas Hiriart. A savoir le réservoir de quelques centaines de millilitres et l’étage avionique, qui produit le champ électrique et communique avec le cerveau électronique du satellite.
La deeptech prévoit de qualifier au sol un produit complet d’ici à la fin 2023. Sans divulguer le nom de son client, elle vient de signer un contrat pour livrer un moteur en 2024, annonçant une mission de démonstration la même année. Ion-X cible dans un premier temps le marché des micro-satellites entre 10 et 100 kg, puis celui des petits satellites entre 100 et 300 kg, après 2025.
« Il faudra alors être en mesure de produire des centaines de moteurs par an », affirme Thomas Hiriart, qui compte s'appuyer sur des outils de production déjà utilisés dans la filière de la nano-électronique. La propulsion électrique s’est en effet substituée à la propulsion chimique pour équiper les satellites, petits et grands, et c’est une opportunité qu’Ion-X ne veut pas rater. Mais d’autres deeptechs tricolores, comme Exotrail et Thrustme, ont aussi l’intention de se faire une place dans l’espace. Sans oublier Safran et ses propulseurs plasmiques, réservés aux gros satellites.
