Le gagnant du concours 2019 de la bourse d'études SAM de 1 000 $ pour l'enseignement supérieur
Le concours 2019 de bourses d'études collégiales de 1 000 $ de Stanford Advanced Materials s'est terminé le mois dernier avec un nombre record de soumissions d'étudiants. Félicitations au gagnant :
Charles Boyle
Université du Texas à Austin
Les participants devaient rédiger un essai pour partager leur expérience avec les matériaux avancés dans la vie et parler de l'impact qu'ils auront à l'avenir.
Nous avons reçu plus de 200 candidatures d'étudiants américains et Charles est arrivé en tête. Il a remporté 1 000 dollars pour avoir partagé son expérience et ses idées sur les métaux réfractaires dans son essai, que nous avons publié ici avec son autorisation :
Charles Boyle
Au début de l'année 2018, j'ai commencé ce qui allait bientôt devenir l'expérience la plus cool de ma vie : un stage de printemps au Green Propulsion Lab du Marshall Space Flight Center de la NASA. Au cours de ce stage, j'ai participé à deux projets principaux : la conception et la fabrication du premier système de chargement de monopropulseurs "verts" à faible toxicité de la NASA pour le ravitaillement en carburant des engins spatiaux, ainsi que la conception d'un module de pressurisation CubeSat optimisé pour l'interfaçage des propulseurs verts. Grâce à ces deux expériences, j'ai acquis une compréhension approfondie des avantages des systèmes de propulsion écologiques par rapport aux systèmes actuels de monopropulseurs à l'hydrazine, ainsi que des problèmes qui empêchent l'utilisation généralisée de propulseurs écologiques dans les missions spatiales.
Mon expérience à la NASA m'a permis de découvrir que l'un des problèmes, si ce n'est le principal, associé aux propergols verts est tout simplement la température qu'ils requièrent pour une combustion correcte. Les matériaux courants qui sont largement utilisés dans les chambres de combustion ne peuvent pas supporter les températures excessivement élevées associées à la décomposition thermique des propergols verts. Malgré les divers avantages des propergols verts par rapport aux monopropulseurs traditionnels (toxicité moindre, densité d'impulsion plus élevée, manipulation plus aisée), si les matériaux courants ne peuvent pas survivre aux températures élevées et/ou à l'environnement de combustion oxydatif associés aux propergols verts, ces systèmes de propulsion deviennent impossibles à mettre en œuvre.
C'est là que les métaux réfractaires entrent en jeu. L'avenir de la propulsion verte réside dans le progrès des techniques de fabrication des métaux réfractaires (RM). Les métaux réfractaires tels que l'iridium et le rhénium sont d'une importance capitale pour la conception d'un propulseur à propergol vert, car ils font partie des rares matériaux capables de résister aux températures associées à une décomposition thermique soutenue du propergol vert. Cependant, leurs méthodes de fabrication coûteuses et peu rapides ont limité l'utilisation des systèmes de propulsion écologiques à quelques missions sélectionnées. En outre, l'utilisation actuelle de métaux réfractaires dans les systèmes à propergol vert est, pour l'essentiel, limitée à la fabrication soustractive. Les techniques de fabrication additive associées aux métaux réfractaires, telles que l'impression de buses en rhénium sur un lit d'impression DMLS, sont relativement inexplorées. Par conséquent, le développement de techniques de fabrication soustractive RM moins coûteuses, ainsi que de techniques de fabrication additive RM fiables, pourrait changer complètement le domaine des systèmes de propulsion de satellites. Ces capacités de fabrication RM permettraient aux systèmes monopropulseurs verts de remplacer complètement les systèmes monopropulseurs actuels tels que les propulseurs à hydrazine, ce qui réduirait considérablement la toxicité moyenne des systèmes de propulsion monopropulseurs et augmenterait de manière significative leur densité d'impulsion.
Pourquoi est-ce important ? Bien qu'il s'agisse d'une question technique très spécifique dans le domaine des sciences propulsives, les métaux réfractaires auront un impact important sur le secteur aérospatial une fois que les techniques de fabrication associées deviendront plus efficaces. Le principal avantage des propergols verts est leur densité d'impulsion plus élevée, c'est-à-dire l'impulsion plus élevée que les propergols peuvent fournir à un vaisseau spatial par unité de volume de propergol. Il ne s'agit pas d'un petit détail technique. Une densité d'impulsion plus élevée pourrait faire la différence entre l'acceptation ou le rejet d'une mission révolutionnaire dans sa phase de conception. En d'autres termes, un surplus de densité d'impulsion pourrait, de manière très réaliste, être le facteur final permettant à une mission d'aller de l'avant et de faire de ce qui relevait de la science-fiction une réalité.
Par exemple, la mission qui est considérée comme l'entreprise astronautique la plus critique de la prochaine décennie est une mission de retour d'échantillons de Mars (MSR). La partie de la mission qui nécessite le plus d'ingénierie de pointe est le véhicule d'ascension martienne (MAV). Le MAV est l'engin spatial qui transportera l'échantillon de la surface de Mars jusqu'à l'orbite martienne. Ce type de lancement n'a évidemment jamais été effectué auparavant. La plupart des tentatives de conception d'un MAV utilisent des systèmes de propulsion solides, hybrides ou monopropulseurs pour transporter la charge utile en orbite, et l'architecture de propulsion proposée pour le MAV n'est généralement pas en mesure de fournir l'impulsion nécessaire pour amener la charge utile en orbite martienne. C'est exactement de cette manière que l'utilisation de métaux réfractaires pourrait contribuer à la réussite de l'une des missions les plus importantes jamais réalisées par l'humanité. En faisant progresser les techniques de fabrication des métaux réfractaires jusqu'à ce qu'ils puissent être utilisés dans la conception d'un système de propulsion MAV "vert" à haute performance, on pourrait permettre le succès d'une mission MSR, rapprochant ainsi l'homme du moment où il posera le pied sur la surface martienne.
Comme les brillants ingénieurs aérospatiaux qui m'ont précédé, je veux que le produit du travail de ma vie permette de lancer des humains et des robots au-delà de l'orbite terrestre, sur des corps célestes intacts. Pour réaliser ce rêve, l'humanité doit d'abord créer des systèmes de propulsion de nouvelle génération abordables et fiables. Les métaux réfractaires sont l'élément clé qui permettra aux systèmes monopropulseurs actuels à l'hydrazine de se transformer en systèmes de propulsion verts plus efficaces et plus fiables. Ces systèmes de propulsion écologiques finiront par révolutionner le domaine de la propulsion des petits satellites et permettront à l'humanité d'atteindre les objectifs ambitieux qu'elle s'est fixés pour l'avenir de l'exploration spatiale.
Référence : Cavender, D. P., Marshall, W. M., & Maynard, A. P. (n.d.). 2018 NASA Green Propulsion Technology Development Roadmap (Feuille de route pour le développement de la technologie de la propulsion verte de la NASA).
Excellent travail, Charles ! Je te souhaite bonne chance tout au long de ta carrière universitaire et au-delà.
