Ce type de moteur est dit ionique car il fonctionne par la ionisation d'un gaz. Le moteur appelé XIPS (Xenon Ion Propulsion System) est le moteur ionique utilisé dans les missions actuelles (il fonctionne au xénon, mais nombre de tests on été effectués avec d'autres gaz, dont l'air, voir l'historique). Les ions sont accélérés via un système de deux grilles chargées l'une négativement et l'autre positivement pour exercer des forces de répulsion d'un côté et d'attraction de l'autre. Enfin pour éviter un retour des ions vers la grille de charge opposée, un canon à électrons extérieur "neutralise" le flux d'ions. Le gaz est ainsi éjecté à une vitesse approchant plusieurs centaines de kilomètres par seconde. Mais le nombre d'atomes éjectés n'est au final suffisant que pour fournir une poussée équivalente à une feuille de papier.

Ci dessous, un schéma d'un moteur ionique au xénon (explications à la suite) :                

 

      Tout d'abord le xénon est stocké sous pression dans un compartiment étanche et lentement injecté dans la chambre d'ionisation ainsi que des électrons générés par un canon à électrons. Des aimants sont présents dans cette chambre de manière à mieux diriger les électrons et ainsi améliorer l'ionisation. Ensuite intervient l'ionisation qui produit les ions positifs (voir l'ionisation). Ce mélange d'ions positifs et d'électrons forme ce que l'on appelle un plasma d'où l'appellation moteur plasmique que l'on peut parfois rencontrer. Les électrons restant dans la chambre sont récupérés par l'anode.       

       Puis suit une deuxième phase où les atomes de xénon sont éjectés du moteur. Pour se faire, les deux grilles positive et négative accélèrent les ions de façon très conséquente. La grille positive est située vers l'intérieur du moteur et la grille négative est située vers l'extérieur. La grille positive n'exerce jusqu'alors aucune répulsion (selon le fait que deux charges de même signe se repoussent) car l'ensemble du moteur est chargé positivement et à la même valeur que la grille. Lorsqu'un ion passe entre les deux grilles, il est alors à la fois fortement repoussé par la grille positive (car il sort de la zone chargée) et attiré par la grille négative ce qui crée une très forte accélération qui élève la vitesse des ions à près de quelques kilomètres par seconde.

       Enfin une dernière phase est nécessaire pour éviter un retour ou un ralentissement des ions lorsqu'ils ont franchis les grilles car seule la grille négative exerce alors une action en les attirants de nouveau vers le moteur. Pour éviter ce retour, un dispositif extérieur est alors mis en place : c'est le neutraliseur. Ce dernier n'est en fait qu'un autre canon à électrons destiné à rendre neutre le flux d'ions pour éviter un retour de ceux-ci. C'est aussi pour cette raison que la grille négative est moins chargée (généralement -250V) que la grille positive (généralement 1000V) car la grille négative a également un effet néfaste sur la propulsion. La masse ainsi éjectée donne ainsi une légère accélération à l'engin dans le sens opposé à l'éjection.

       Il apparaît alors qu'avec les deux grilles, le neutraliseur, le canon a électrons et le système d'injection du xénon (sans compter les dispositifs de la sonde ou du satellite), ce moteur consomme une grande quantité d'énergie. Mais l'énergie électrique est facilement renouvelable dans l'espace au moyen des panneaux solaires et c'est pourquoi les engins usant de ce moteur possèdent des panneaux solaire assez grands mais insuffisants pour fournir une forte poussée (voir les avantages et inconvénients). Et d'un autre côté ce moteur ne demande que très peu de gaz (en moyenne 100g par jour!). Il est donc globalement économique.


        Le choix du xénon dans la propulsion actuelle n'est pas un hasard et cet élément répond à un certain nombre de critères pour une propulsion optimale, on a ci-dessous un tableau comparatif des éléments les plus utilisés en propulsion ionique.

Élément	Masse atomique	Rapport charge / masse (10 5 C/Kg)	Potentiel de première ionisation (eV)	Potentiel de seconde ionisation (eV)
Césium (Cs)	132,9	7,25	3,89	25,1
Mercure (Hg)	200,6	4,80	10,44	18,75
Xénon (Xe)	131,3	7,34	12,13	21,21
Krypton (Kr)	83,80	11,50	14,0	24,36
Argon (Ar)	39,95	24,13	15,80	22,63

• La masse atomique est une caractéristique très importante car la propulsion dépend de la masse éjectée et ainsi le moteur ionique à air testé avec Yantar 3 et 4 obtenait de très bonne vitesses d'éjection mais au final la masse éjectée était bien trop petite pour donner une poussée significative or le xénon possède une masse atomique presque huit fois supérieure à l'air (l'air est composé principalement d'azote et d'oxygène qui ont une faible masse atomique).
  
  
  
• Une charge massique élevée permet, quand à elle, une meilleure accélération des ions et ainsi une vitesse d'éjection plus élevée puisque les forces d'interactions électriques avec les grilles sont proportionnelles à la charge de l'ion.
  
  
• Les potentiels de première et de seconde ionisation sont un indicatif sur la capacité d'un atome à se ioniser en perdant respectivement un puis deux électrons, une troisième perte n'a généralement pas le temps de se faire car l'ion est rapidement éjecté.
  
  
• Un autre facteur qui n'entre pas dans ce tableau, faute de données, est le prix de chaque gaz car certains sont très rares. De plus ce facteur est assez contradictoire car le xénon n'est pas économique.

        On remarque donc que les gaz nobles : krypton, xénon et argon sont très propices à la propulsion ionique, particulièrement pour leur potentiels d'ionisation et leur charge massique. Le xénon ayant la masse la plus élevée des trois, il est le plus désigné pour le moteur ionique.

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