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Plasmas in space science and technology

PHY550 - Plasmas in space science ad technology

This course deals with the physics of ionized environments, or plasma physics, from the space science and industry point of view. Plasma is by far the most common state of matter in the visible universe and therefore nearly all astrophysical objects are in fact plasmas. Plasmas are also present on Earth, either created by nature in the form of lightnings or auroras, or generated by human beings in a wide range of industrial applications. They play a central role in microelectronics since etching and deposition of thin films relies mostly on plasma processing. They are also used as air purifiers or to treat wounds in medicine. They might be used in the coming years to treat cancer or to achieve nuclear fusion, which would give humanity an almost unlimited source of energy. As we shall see in details in this lecture, they are now successfully used as efficient engines for satellite and spacecraft propulsion. Thus, plasmas are fundamental in space science and technology.

Satellites and spacecrafts mainly operate around Earth, or in the solar system in environments that are almost always significantly or fully ionized. The Sun continuously emits a magnetized plasma, mainly composed of electrons and protons, called the solar wind. This plasma interacts with the planets of the solar system, leading to complex phenomenon that are essential to understand the life and the dynamics of planets and their atmospheres. Planets that generate their own magnetic field, like Earth, are partially protected from the solar wind by a magnetosphere, which acts as a magnetic shield. Nevertheless, the higher atmosphere remains ionized by the solar wind (the ionosphere), particularly in the aurora regions. This course will therefore require a detailed description of the fundamental principles governing the solar environment, the solar wind, the magnetosphere and the Earth ionosphere.

The lecture will then describe in details the interaction between plasmas and satellites or spacecrafts. These are immersed in space plasmas and are subject to charged particles bombardment (electrons and ions). We will study the structure of the potential surrounding a satellite in a plasma and the variety of interactions between charged particles and parts of a satellite. The conductivity of its dielectric coating, also subjected to radiation, determines the charge differential or charge risk. The secondary emission of electrons resulting of the impact of the plasma electrons controls the sign of the electrostatic discharge, impacts the multipactor discharges which limit the power of telecom satellites, and modify the abnormal electronic conductivity in Hall effect thrusters.

In the last part of this course, we will describe the fundamental mechanisms at play in plasmas thrusters, that are now routinely used as satellite engines, and that will be essential for future space exploration missions. The principle of plasma thrusters is to ionize the gas propellant to achieve much higher exhaust velocities than conventional hydrodynamic nozzles. For the same thrust, the mass flow of the propellant is then drastically reduced, and the plasma thruster has a much better mass efficiency than conventional chemical engines. We will study in details two flight-proven engines, the gridded-ion thruster and the Hall effect thruster. Different types of plasma thrusters based on advanced concepts currently under development will also be discussed. 

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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.