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Un moteur ultra-rapide pour de petits satellites

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Celeroton et chercheurs d'ETH ont développé un moteur électrique par magnétisme fait de la lévitation ultra-rapide pour des roues de réaction. L'opération à grande vitesse permet la miniaturisation intensive du système d'entraînement, la rendant attrayante pour l'usage dans de petits satellites

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150 000 révolutions vertigineuses par minute : les chercheurs d'ETH Zurich (département de technologie de l'information et d'électrotechnique) et Celeroton ont développé un moteur électrique par magnétisme fait de la lévitation ultra-rapide pour des roues de réaction. La grande vitesse de la rotation permet la miniaturisation intensive du système d'entraînement, la rendant attrayante pour l'usage dans de petits satellites.

Arda Tüysüz (ETH/PES, dans l'avant) et un employé de travail de Celeroton sur le nouveau moteur ultra-rapide dans leur laboratoire.

« En fait, il n'y a rien particulièrement nouveau à son sujet, » est la ligne modeste prise par Arda Tüysüz, un postdoc au laboratoire d'Electronic Systems de puissance d'ETH Zurich (SIÈGE POTENTIEL D'EXPLOSION). « L'électronique, les incidences magnétiques, compréhension du principe physique de base – il était tout là déjà. » Cependant, la compétence de construction des chercheurs de SIÈGE POTENTIEL D'EXPLOSION est évidente dans leur capacité de combiner ces principes fondamentaux dans le moteur ultra-rapide, qui peut courir 20 fois plus rapidement que la situation actuelle, et ce qui est énormément plus petit et plus de rendement optimum. En collaboration avec l'ETH Celeroton secondaire, Tüysüz et collègues ont développé un nouveau genre de moteur par magnétisme fait de la lévitation de roue de réaction qui atteint des vitesses de plus de 150 000 révolutions par minute.

Des roues électriquement conduites de réaction de cette sorte sont utilisées dans des satellites pour changer l'orientation du satellite. Ici, la roue de réaction est reliée à un moteur électrique par l'intermédiaire d'un axe (rotor). Dès que le volant conduit par ce moteur tournera dans une direction autour de son propre axe, un couple est transmis au satellite, qui tourne alors dans la direction opposée et ainsi une nouvelle orientation.

Dans des systèmes actuels, les rotors et les roues de réaction sont typiquement montés sur les roulements à billes qui portent vers le bas relativement rapidement. Afin de réduire au minimum l'usage mécanique, des moteurs de cette sorte sont habituellement actionnés plus lentement que 6 000 révolutions par minute. Ils doivent également être stockés dans un logement hermétiquement scellé dans une atmosphère à basse pression d'azote, afin d'éviter l'oxydation des matériaux et de l'évaporation du lubrifiant.

En outre, les boules dans un roulement à billes ne sont pas exactement identiques, provoquant les forces qui ainsi que le déséquilibre des microvibrations de transfert de rotor au logement du satellite. Ceci réduit l'exactitude de positionnement, que les satellites doivent montrer afin de laisser, par exemple, la mesure de laser ou la communication d'inter-satellite. En d'autres termes, assez de raisons d'ETH Zurich et Celeroton de concevoir un système électrique nouveau et par magnétisme fait de la lévitation d'entraînement.

Le travail de développement a commencé il y a quelques années par une thèse de doctorat au SIÈGE POTENTIEL D'EXPLOSION. Une première unité de démonstration a été présentée par les chercheurs il y a deux ans à une conférence de spécialiste au Japon. Plus récemment, à un colloque international en juin cette année, ils ont présenté un premier prototype d'un nouveau genre de moteur pour de petits satellites.

Ce prototype peut être actionné à jusqu'à 150 000 t/mn – modèles plus rapide que comparables dans le passé, comme flotteurs de rotor dans un champ magnétique. La vitesse de rotation élevée a permis aux chercheurs de réaliser une réduction marquée de la taille du système d'entraînement, puisqu'elle fournit le même moment angulaire comme grand moteur en dépit de ses plus petites dimensions. Ceci le rend attrayant pour l'usage dans de petits satellites avec des tailles sur l'échelle d'un shoebox.

« L'appui magnétique nous permet également d'éviter les vibrations, » dit Tüysüz. Car le système n'exige pas la lubrification, il peut être actionné dans un vide, qui le rend parfait pour l'usage dans l'espace. En outre, l'appui magnétique permet également à la roue de réaction de tourner doucement et sans à-coup, car il n'y a aucune résistance de friction quand le système commence à se déplacer.

« Vu dans son ensemble, le nouveau système que nous avons développé est complexe, » dit Tüysüz. L'électronique de puissance sophistiquée sont nécessaire pour l'orienter et commander. « Ceci attache dedans parfaitement avec un autre secteur de noyau de l'expertise du laboratoire d'Electronic Systems de puissance, » dit l'ingénieur électrique. Tüysüz travaille actuellement à la façon plus loin développer et améliorer les circuits de la commande de système.

Le système développé par les chercheurs d'ETH et leurs collègues chez Celerotron est seulement un prototype qui a été employé pour démontrer le principe de fonctionnement. Les résultats ont été présentés sur des conférences, mais le système n'est pas encore disponible dans le commerce. Néanmoins, l'intérêt initial a été déjà exprimé par de diverses parties, principalement l'agence spatiale européenne (ESA).

Ce projet a été soutenu financièrement par le secrétariat d'état pour l'éducation, la recherche et l'innovation (SERI).