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Benjamin Esteves a soutenu sa thèse "Investigation of iodine plasmas for space propulsion applications"
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Le 13 décembre 2022, Benjamin Esteves a soutenu sa thèse "Investigation of iodine plasmas for space propulsion applications".
Résumé :
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, sa production annuelle limitée et une demande grandissante obligent à trouver une alternative pérenne, aux performances comparables. L’iode est un candidat viable pour lui succéder. Dans ce travail, nous tâchons de comprendre comment et pourquoi l’iode, à l’état plasma, peut envisager sereinement la bataille avec ses concurrents dans la course à l’espace.
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 différents diagnostiques électriques et optiques (sonde de Langmuir, photodétachement, absorption, TALIF) ont été développés et appliqués avec succès, dont certains pour la première fois. Ces travaux expérimentaux ont permis de mesurer les valeurs absolues de densité et de température de différentes espèces du plasmas, mettant en lumière des mécanismes de chauffage important.
D’autre part, un travail rigoureux de bibliographie sur les données collisionnelles 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 0D, a été mis à jour et enrichi pour prendre en compte le chauffage des espèces neutres. Deuxièmement, un modèle multi-fluide 1D des trois espèces neutres majoritaires (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.
Les comparaisons expériences-modèles ont montré que : (i) à faible débit d’injection, le plasma est complètement dissocié et composé d’atomes I, d’ions I+ et d’électrons. Dans ce régime de fonctionnement, où la dissociation est peu coûteuse énergétiquement, l’iode peut révolutionner le domaine de la propulsion électrique en étant plus performant que ses concurrents nobles (argon, krypton et xénon) ; (ii) à plus haut débit, 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 compétitif pour la propulsion, le krypton offrant même de meilleures performances.
Jury :
Président : Jérôme Perez, Professeur, ENSTA Paris
Rapporteur : Stéphane Mazouffre, Directeur de recherche, CNRS-ICARE
Rapporteur : Daniel Comparat, Directeur de recherche, CNRS-LAC
Examinateur : Trevor Lafleur, Senior scientist, ThrustMe
Examinateur : Emilie Despiau-Pujo, Maître de conférence, Université Grenoble-Alpes
Examinateur : Olivier Duchemin, Ingénieur, Safran
Directeur : Pascal Chabert, Directeur de recherche, CNRS-LPP
Co-directeur : Cyril Drag, Directeur de recherche, CNRS-LPP
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