En ce qui concerne l'avenir de l'exploration spatiale, un certain nombre de nouvelles technologies sont à l'étude. Parmi celles-ci, les nouvelles formes de propulsion seront en mesure d'équilibrer l'efficacité énergétique et la puissance. Non seulement les moteurs capables d'atteindre une grande poussée avec moins de carburant seraient rentables, mais ils pourront transporter des astronautes vers des destinations comme Mars et au-delà en moins de temps.
C'est là que des moteurs comme le propulseur à effet Hall X3 entrent en jeu. Ce propulseur, qui est développé par le Glenn Research Center de la NASA en collaboration avec l'US Air Force et l'Université du Michigan, est un modèle à grande échelle des types de propulseurs utilisés par le Aube vaisseau spatial. Lors d'un essai récent, ce propulseur a battu le record précédent pour un propulseur à effet Hall, atteignant une puissance plus élevée et une poussée supérieure.
Les propulseurs à effet Hall ont gagné la faveur des planificateurs de mission ces dernières années en raison de leur extrême efficacité. Ils fonctionnent en transformant de petites quantités de propulseur (généralement des gaz inertes comme le xénon) en plasma chargé de champs électriques, qui est ensuite accéléré très rapidement à l'aide d'un champ magnétique. Comparés aux fusées chimiques, ils peuvent atteindre des vitesses de pointe en utilisant une infime fraction de leur carburant.
Cependant, un défi majeur jusqu'à présent a été la construction d'un propulseur à effet Hall qui est également capable d'atteindre des niveaux de poussée élevés. Bien qu'ils soient économes en carburant, les moteurs ioniques conventionnels ne produisent généralement qu'une fraction de la poussée produite par les fusées qui dépendent de propergols solides. C'est pourquoi la NASA a développé le propulseur X3 à grande échelle en collaboration avec ses partenaires.
Le développement du propulseur a été supervisé par Alec Gallimore, professeur d'ingénierie aérospatiale et doyen d'ingénierie Robert J. Vlasic à l'Université du Michigan. Comme il l'a indiqué dans un récent communiqué de presse du Michigan News:
«Les missions sur Mars sont à l'horizon et nous savons déjà que les propulseurs à effet Hall fonctionnent bien dans l'espace. Ils peuvent être optimisés soit pour transporter des équipements avec un minimum d'énergie et de propulseur au cours d'une année ou deux, soit pour la vitesse, ce qui permet de transporter l'équipage sur Mars beaucoup plus rapidement. »
Lors de tests récents, le X3 a brisé le précédent record de poussée établi par un propulseur Hall, atteignant 5,4 newtons de force par rapport à l'ancien record de 3,3 newtons. Le X3 a également plus que doublé le courant de fonctionnement (250 ampères contre 112 ampères) et fonctionnait à une puissance légèrement supérieure à celle du précédent recordman (102 kilowatts contre 98 kilowatts). C'était une nouvelle encourageante, car cela signifie que le moteur peut offrir une accélération plus rapide, ce qui signifie des temps de trajet plus courts.
Le test a été effectué par Scott Hall et Hani Kamhawi au NASA Glenn Research Center à Cleveland. Alors que Hall est un doctorant en génie aérospatial à U-M, Kamhawi est un chercheur de la NASA Glenn qui a été fortement impliqué dans le développement du X3. De plus, Kamhawi est également le mentor de Hall à la NASA, dans le cadre de la NASA Space Technology Research Fellowship (NSTRF).
Ce test a été l'aboutissement de plus de cinq années de recherche visant à améliorer les conceptions à effet Hall actuelles. Pour effectuer le test, l'équipe s'est appuyée sur la chambre à vide de la NASA Glenn, qui est actuellement la seule chambre aux États-Unis qui peut gérer le propulseur X3. Cela est dû à la quantité d'échappement d'échappement produite par le propulseur, ce qui peut entraîner une dérive du xénon ionisé dans le panache de plasma, faussant ainsi les résultats du test.
La configuration de la NASA Glenn est la seule avec une pompe à vide suffisamment puissante pour créer les conditions nécessaires pour garder l'échappement propre. Hall et Kamhawi ont également dû construire un support de poussée personnalisé pour supporter le cadre de 227 kg (500 livres) du X3 et résister à la force qu'il génère, car les supports existants n'étaient pas à la hauteur. Après avoir sécurisé une fenêtre de test, l'équipe a passé quatre semaines à préparer le stand, le propulseur et à mettre en place toutes les connexions nécessaires.
Pendant tout ce temps, des chercheurs, ingénieurs et techniciens de la NASA étaient sur place pour apporter leur soutien. Après 20 heures de pompage pour obtenir un vide semblable à l'espace à l'intérieur de la chambre, Hall et Kamhawi ont mené une série de tests où le moteur serait mis à feu pendant 12 heures d'affilée. En 25 jours, l'équipe a porté le X3 à ses niveaux de puissance, de courant et de poussée records.
Pour l’avenir, l’équipe prévoit de mener plus de tests dans le laboratoire de Gallimore à U-M en utilisant une chambre à vide améliorée. Ces mises à niveau seront des calendriers à terminer d'ici janvier 2018 et permettront à l'équipe de réaliser de futurs tests en interne. Cette mise à niveau a été rendue possible grâce à une subvention d'un million de dollars US, apportée en partie par l'Air Force Office of Scientific Research, avec un soutien supplémentaire fourni par le Jet Propulsion Laboratory et U-M.
Les alimentations du X3 sont également développées par Aerojet Rocketdyne, le fabricant de propulsion de fusées et de missiles basé à Sacramento, qui est également le chef de file de la subvention du système de propulsion de la NASA. D'ici le printemps 2018, le moteur devrait être intégré à ces systèmes d'alimentation; à ce moment-là, une série de tests de 100 heures qui seront à nouveau effectués au Glenn Research Center.
Le X3 est l'un des trois prototypes que la NASA étudie pour de futures missions en équipage sur Mars, qui visent toutes à réduire les temps de trajet et la quantité de carburant nécessaire. Au-delà de rendre ces missions plus rentables, les temps de transit réduits visent également à réduire la quantité de rayonnements auxquels les astronautes seront exposés lors de leurs déplacements entre la Terre et Mars.
Le projet est financé par le partenariat Next Space Technologies for Exploration de la NASA (Next-STEP), qui prend en charge non seulement les systèmes de propulsion, mais également les systèmes d'habitat et la fabrication dans l'espace.
