Descriptif

PHY550 - Plasmas en sciences et technologies spatiales

Les plasmas et le spatial

Ce cours aborde la physique des plasmas, c’est-à-dire la physique des milieux ionisés, sous l’angle du spatial. Les plasmas représentent 99% de la matière visible de l’univers et ils sont donc présents dans tous les objets astrophysiques. Les plasmas sont également présents sur terre, à l’état naturel sous forme d’éclairs ou d’aurores boréales, ou bien créés par l’homme pour une très grande diversité d’applications industrielles. Ils jouent un rôle central pour la gravure et le dépôt de couches minces dans la microélectronique, ils sont également utilisés pour purifier l’air ou pour traiter des plaies en médecine. Demain ils seront peut-être utilisés pour traiter des cancers ou encore pour atteindre la fusion thermonucléaire et ainsi donner à l’humanité une source d’énergie quasiment inépuisable.

Les satellites et les engins spatiaux évoluent principalement dans l’environnement de la terre ou dans l’espace interplanétaire du système solaire qui sont des milieux ionisés. Les plasmas ont donc une importance capitale dans le spatial. Le soleil émet en permanence un plasma magnétisé très dilué, composé principalement d’électrons et de protons, appelé le vent solaire. Ce plasma interagit avec les planètes du système solaire ce qui donne lieu à des phénomènes complexes qu’il est nécessaire de comprendre pour expliquer la vie et la dynamique des planètes et de leurs atmosphères. Les planètes qui possèdent un champ magnétique, comme la terre, sont partiellement protégées du vent solaire par ce bouclier magnétique et possèdent des magnétosphères. Néanmoins, la haute atmosphère reste ionisée par le vent solaire, notamment dans les régions aurorales. Dans le cours, nous étudierons les principes fondamentaux qui gouvernent ces plasmas spatiaux, notamment l’environnement du soleil, le vent solaire, la magnétosphère et l’ionosphère de la terre.

Nous détaillerons également l’interaction plasma-satellites. Les satellites qui évoluent dans les plasmas spatiaux sont soumis au bombardement des particules chargées (électrons et ions). Nous étudierons la structure de potentiel qui entoure le satellite plongé dans le plasma, et les diverses interactions des particules chargées énergétiques avec les éléments du satellite. La conductivité de ses revêtements diélectriques, y compris sous radiations, conditionne par exemple la charge différentielle et le risque de décharges. L’émission secondaire d’électrons sous impact d’électrons joue quant à elle sur le signe même de la charge électrostatique, les décharges multipactor qui limitent la puissance des satellites télécom, ou encore la conductivité électronique anormale des propulseurs plasmiques à effet Hall.

Enfin, nous étudierons les propulseurs plasmas qui équipent les satellites modernes et qui équiperont également les engins spatiaux du futur pour l’exploration du système solaire. Le principe de base de ces propulseurs et d’ioniser le gaz propulsif afin de l’expulser à des vitesses très supérieures à celles atteintes dans les tuyères hydrodynamiques. Pour une même poussée, le débit massique de gaz propulsif est donc fortement réduit et le moteur plasma consomme beaucoup moins de « carburant » que le moteur chimique standard. Nous étudierons en détail les deux moteurs aujourd’hui en vol, les propulseurs ioniques à grille et les propulseurs de hall. Nous donnerons également des éléments sur d’autres types de moteurs plasmas actuellement à l’étude.

Cours dispensé en Français. Supports de cours en version anglaise.