Les récents développements dans les matériaux supraconducteurs ont ouvert de nouvelles possibilités d'améliorer les composants des moteurs à fusée, et ces progrès promettent de rendre les déplacements spatiaux plus efficaces et rentables en réduisant le poids et en augmentant les performances. Bien que les supraconducteurs précoces aient besoin d'un refroidissement impraticable à presque zéro absolu, les matériaux modernes se rapprochent du fonctionnement à température ambiante, changeant fondamentalement le paysage technique des systèmes de propulsion.

Comprendre la supraconductivité

La supraconductivité est un phénomène mécanique quantique où un matériau conduit l'électricité à courant direct (DC) avec une résistance électrique nulle lorsqu'il est refroidi sous une température critique (Tc).Cette propriété a été découverte en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes dans le mercure solide à 4,2 Kelvin (environ -269°C). Sous cette température critique, les électrons se jumelent à ce qu'on appelle les paires Cooper, qui peuvent se déplacer à travers le réseau sans se disperser – la cause fondamentale de la résistance.

Types de supraconducteurs

Les supraconducteurs sont généralement classés en deux types:

  • Les supraconducteurs de type I, généralement des métaux purs comme le mercure, le plomb et l'étain, présentent une transition marquée vers une résistance zéro et une expulsion complète des champs magnétiques. Cependant, ils ont des températures critiques faibles (inférieures à 30 K) et des champs magnétiques critiques faibles, ce qui les rend impropres aux applications de haute puissance.
  • Les supraconducteurs de type II, y compris la plupart des supraconducteurs à haute température (HTS), permettent une pénétration partielle des champs magnétiques à l'état mixte. Ils peuvent supporter des champs et des courants magnétiques beaucoup plus élevés avant de perdre la supraconductivité.

Pour les applications de moteurs à fusées, les supraconducteurs de type II sont beaucoup plus pertinents car ils peuvent transporter de grands courants et générer des champs magnétiques forts sans pertes résistives, permettant des systèmes électromagnétiques compacts et légers.

Contexte historique dans l'aérospatiale

La supraconductivité a été étudiée pour les moteurs de fusées depuis les années 1960. Les premiers travaux ont porté sur l'utilisation d'aimants supraconducteurs pour le blindage magnétique dans l'espace et pour la production de puissance magnétohydrodynamique (MHD). Cependant, la nécessité de cryostats encombrants en hélium liquide a limité l'adoption. La découverte de la supraconductivité à haute température en 1986 par Bednorz et Müller (travaillant avec l'oxyde de cuivre baryum, Tc -35 K) et la découverte subséquente de YBCO (Tc - 92 K) en 1987 ont permis un refroidissement avec de l'azote liquide relativement peu coûteux (77 K).

Progrès récents dans les technologies supraconductrices

Over the past decade, several breakthroughs have brought superconducting materials closer to practical use in rocket engines:

Superconducteurs à haute température (HTS)

Les fils HTS de deuxième génération à base de conducteurs revêtus d'oxyde de cuivre baryum yttrium (YBCO) ont beaucoup évolué. Des sociétés comme SuperPower et AMSC produisent maintenant des bandes de longueur de kilomètre qui transportent des centaines d'ampères par centimètre de largeur à 77 K. Ces bandes sont suffisamment souples pour être enroulées en bobines pour les électroaimants. La densité critique du courant (Jc) a été repoussée à plus de 10 millions d'ampères par centimètre carré à 4,2 K, ce qui permet des aimants extrêmement compacts.

Superconducteurs à base de fer (IBS)

Découverts en 2006, les supraconducteurs à base de fer offrent un compromis entre le faible Tc des supraconducteurs métalliques et la fragilité céramique des cuprates. Certains pnictides de fer et chalcogénides ont Tc au-dessus de 50 K et présentent des champs critiques élevés. Leur nature polycristalline et leurs propriétés mécaniques légèrement meilleures les font candidats pour les limiteurs de courant de faille et câbles d'alimentation dans les systèmes électriques fusées.

Superconducteurs à hydrure

En 2024, les chercheurs de l'Université de Rochester ont signalé une supraconductivité à 21°C (294 K) dans un hydrure de lutétium dopé à l'azote, bien que cette affirmation demeure controversée. Quoi qu'il en soit, le principe selon lequel la compressibilité des liaisons hydrogènes peut élever Tc a été prouvé avec l'hydrure de soufre (Tc=203 K) et l'hydrure de lanthane (Tc=250 K). Bien que ces matériaux nécessitent des pressions ultra-hautes (150–200 GPa) qui sont peu pratiques pour le matériel de vol, ils indiquent la voie vers les supraconducteurs de pression ambiante.

Conducteurs à épingle et à revêtement

Les progrès réalisés dans le piquage des flux — la capacité de piéger les lignes de flux magnétiques dans les supraconducteurs de type II — ont amélioré les performances sur le terrain des bandes HTS. En introduisant des centres de piquage artificiels (p. ex. nanoparticules de BaZrO3 ou BaHfO3), les fabricants peuvent obtenir des courants critiques élevés même dans des champs magnétiques puissants (au-dessus de 30 T).

Applications dans les composants de moteurs de fusée

Les matériaux supraconducteurs sont intégrés dans plusieurs sous-systèmes critiques de moteurs à fusées pour améliorer les performances, réduire la masse et améliorer la fiabilité.

Systèmes de levitation magnétique pour turbopompes

Les roulements à billes traditionnels nécessitent une lubrification et un refroidissement, et ils s'usent au fil du temps. Les roulements magnétiques supraconducteurs (MBS) lévitent le rotor en utilisant le courant persistant dans les bobines HTS. Comme les bobines ont une résistance nulle, le champ magnétique peut être maintenu sans puissance externe, phénomène appelé lévitation passive. Les MBS peuvent supporter des charges élevées, fonctionner dans des environnements cryogéniques (où beaucoup de carburants de fusée sont stockés), et fonctionner sans contact, éliminer les frictions et réduire le besoin de structures de soutien lourdes.

Transmission et distribution de l'électricité

Les câbles de cuivre conventionnels génèrent des baisses de chaleur et de tension résistives, qui ajoutent de la masse en tant que fils doivent être surdimensionnés pour la capacité de courant. Les câbles supraconducteurs fabriqués à partir de bandes HTS peuvent transporter jusqu'à 10 000 A par câble avec aucune perte de courant continu. En remplaçant les barres de bus en cuivre par des câbles supraconducteurs, les ingénieurs peuvent réduire la masse du réseau de distribution d'électricité de 60 %. De plus, la capacité de fonctionner à haute tension permet l'utilisation de niveaux de tension plus faibles, améliorant la sécurité et réduisant le poids d'isolation.

Systèmes de refroidissement avancés

Les moteurs à fusées génèrent d'énormes charges thermiques, en particulier dans la chambre de combustion et la buse. Il existe déjà un refroidissement cryogénique à l'aide d'hydrogène liquide ou de méthane liquide. Les supraconducteurs peuvent être intégrés dans les boucles de refroidissement actives en utilisant leur haute conductivité thermique (comme le cuivre à basse température) pour répandre la chaleur.

Activateurs et vannes

Les vannes à haute vitesse pour l'injection de propulseur et la commande de poussée bénéficient de la forte densité de force des électroaimants supraconducteurs. Un solénoïde supraconducteur exerce une force magnétique plus grande qu'un aimant en cuivre conventionnel du même volume, car il n'y a pas de limite de résistance. Cela permet de plus de plus petits actuateurs plus légers. De plus, la nature de la résistance zéro signifie que l'actionneur peut maintenir indéfiniment sa position sans consommation de puissance, idéal pour verrouiller les vannes dans les missions en espace profond où la puissance est faible.

Capteurs et surveillance de la santé

Les détecteurs de champ magnétique les plus sensibles sont les dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs (SQUID). Dans les moteurs à fusée, les SQUID peuvent détecter des anomalies magnétiques causées par l'usure du roulement, la fatigue matérielle ou une défaillance imminente de la pale de turbine. Leur sensibilité permet de détecter des fissures microscopiques dans les composants métalliques.

Avantages de l'utilisation de supraconducteurs dans les moteurs à fusée

L'intégration de matériaux supraconducteurs offre de nombreux avantages qui s'harmonisent avec l'effort constant de l'industrie aérospatiale pour une performance plus élevée et un coût plus faible.

Réduction du poids

Chaque kilogramme économisé sur une fusée se traduit par une charge utile accrue ou un propulseur réduit. Les composants supraconducteurs sont plus légers parce qu'ils peuvent fonctionner à des densités de courant plus élevées, réduisant la section transversale des conducteurs. Par exemple, un câble HTS transportant 10 kA pèse environ 1 kg/m, tandis qu'un câble cuivre pour le même courant pèse plus de 30 kg/m. De même, les roulements magnétiques supraconducteurs remplacent les roulements à billes et les systèmes de lubrification en acier lourd.

Efficacité énergétique

Les pertes de résistance dans les câbles, les générateurs et les moteurs conventionnels gaspillent généralement 5 à 10 % de l'énergie électrique produite. Dans une fusée, cette perte de puissance doit être assurée par des batteries plus lourdes ou des alternateurs plus grands. Les composants supraconducteurs éliminent entièrement les pertes de résistance à courant continu. Les pertes de courant alternatif sont minimes dans les bandes HTS correctement conçues. Un moteur turbopompe supraconducteur peut atteindre 99 % d'efficacité par rapport à 92 à 95 % pour un moteur conventionnel.

Amélioration des performances et du contrôle

La commande précise permise par la lévitation magnétique supraconductrice améliore la stabilité de la turbopompe, réduisant les vibrations et l'usure. Une meilleure commande du vecteur de poussée, utilisant des actuateurs supraconducteurs, permet une conduite plus serrée et une impulsion spécifique au moteur potentiellement plus élevée (Isp) en optimisant la géométrie de la buse en temps réel.

Durabilité et fiabilité

Les roulements magnétiques éliminent les frottements de contact, réduisent l'usure et la nécessité de lubrifier. L'absence de chauffage résistif réduit également les contraintes thermiques sur les composants. Le refroidissement cryogénique, déjà nécessaire pour les propulseurs comme l'hydrogène liquide et l'oxygène, peut être partagé avec le système supraconducteur. Cette synergie réduit le nombre de boucles de refroidissement séparées et simplifie la gestion thermique.

Défis et perspectives d'avenir

Malgré les avantages évidents, plusieurs défis importants doivent être surmontés avant que les composants des moteurs à fusée supraconducteurs ne deviennent standard sur les véhicules de production.

Limites de matériau

Les moteurs à fusée subissent des vibrations intenses et des cycles thermiques. Les fabricants de bandes ont abordé cette question en encaissant la céramique dans un stratifié métallique (par exemple, Hastelloy), mais le composite a encore un rayon de virage limité et une durée de vie de fatigue. Les supraconducteurs à base de fer sont plus ductile mais pas aussi robustes que les alliages de cuivre. De plus, les supraconducteurs à haute température perdent leur état de résistance zéro au-dessus d'un certain courant critique (Ic) ou d'un champ magnétique (Hc2).

Mise en place et protection

Si un aimant supraconducteur s'éteint, l'énergie magnétique stockée se dissipe soudainement sous forme de chaleur, ce qui peut endommager la bobine. Dans une fusée, un tel événement pourrait détruire le moteur. Des systèmes de détection et de protection robustes sont nécessaires, y compris des chauffages actifs pour éteindre délibérément une bobine de manière contrôlée, et contourner les diodes pour réorienter le courant.

Intégration cryogénique

La plupart des supraconducteurs pratiques nécessitent encore un refroidissement inférieur à 77 K (température de l'azote liquide) ou même 20 K (hydrogène liquide). Les moteurs à fusées utilisant des propulseurs cryogéniques ont déjà accès à l'hydrogène liquide (20 K) et à l'oxygène liquide (90 K). Cependant, les besoins de refroidissement cryogénique pour les supraconducteurs doivent être intégrés sans ajouter de masse ou de complexité parasitaire excessive.

Intégration et coût du système

Les composants supraconducteurs sont encore coûteux à fabriquer (les bandes HTS coûtent environ 50 à 100 $ par mètre de kA comparativement à quelques dollars pour le cuivre).Pour les fusées à usage unique, le coût peut être prohibitif.Pour les fusées réutilisables (comme le Falcon 9 de SpaceX ou le vaisseau Starship), les avantages à long terme de la réduction du poids et de l'efficacité peuvent compenser l'investissement initial.

Perspectives d'avenir

Plusieurs directions intéressantes pourraient, en ce qui concerne les moteurs à fusée, solidifier les supraconducteurs :

  • superconducteurs à température ambiante:[ Si des matériaux à pression ambiante sont découverts, le fardeau cryogénique disparaît complètement. Ce serait un changement de jeu pour tous les transports, y compris l'aérospatiale.
  • Les systèmes de propulsion supraconducteurs : Les propulseurs MPD et les propulseurs électrothermiques bénéficient d'électroaimants à résistance zéro. Les aimants supraconducteurs pourraient permettre une propulsion électrique de grande puissance pour les missions interplanétaires, réduisant ainsi le temps de déplacement vers Mars à moins de 30 jours.
  • Réseaux électriques spatiaux: De grands câbles supraconducteurs pourraient distribuer l'énergie des réseaux solaires spatiaux aux réseaux de propulseurs sans chute de tension. Pour un remorqueur spatial ou un véhicule de transfert orbital, cela pourrait permettre le ravitaillement en orbite et une durée de vie prolongée.
  • Les volants supraconducteurs pour le stockage d'énergie:[ Suspendus par des roulements magnétiques, les volants HTS peuvent stocker l'énergie cinétique avec une perte minimale, fournissant une puissance de crête pour les brûlures d'atterrissage ou les corrections orbitales.

La prochaine décennie verra probablement les premiers essais en vol de roulements turbopompes supraconducteurs et de câbles électriques HTS sur des lanceurs suborbitaux ou orbitaux. À mesure que les coûts diminueront et la fiabilité s'améliore, les matériaux supraconducteurs feront partie intégrante de la prochaine génération de moteurs à fusées, rendant ainsi le voyage spatial plus efficace, plus léger et plus durable.