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Theses Year : 2022

Investigation of iodine plasmas for space propulsion applications

Investigation of iodine plasmas for space propulsion applications

Abstract

Since the 1960s, the most used gas for electric space propulsion has been xenon, a heavy atom that is easy to ionize. However, although it is a product of air distillation, which is a priori inexhaustible, the very low concentration of xenon in the atmosphere limits its annual production and the growing demand makes it necessary to find a sustainable alternative with comparable performance.Iodine, an element next to xenon in the periodic table, is a viable candidate to succeed it despite its molecular and electronegative nature. In this work, we try to understand how and why iodine, in its plasma state, can serenely consider the battle with its competitors, and in particular krypton, in the space race.The study of low-pressure iodine plasmas was conducted in two complementary directions.On the one hand, two experimental iodine plasma set-ups (a gridded-ion-thruster and a quartz cell) were set up and developed, within which numerous electrical and optical diagnostics (Langmuir probe, photodetachment of negative I- ions, absorption on excited atomic states, TALIF on the fundamental atomic level) were developed and successfully applied, some of them for the first time. These experimental works allowed us to measure the absolute values of different species of the plasma (electrons, negative I- ions, positive ions, molecules, population difference between the first two atomic states), to highlight the non-negligible presence of an excited atomic state at 0.94~eV, to shift all the excited atomic levels downwards by 0.167 cm-1 with respect to the reference spectroscopic table, or to measure the degree of molecular dissociation, approaching, for sufficient power, more than 95 %. Also, the temperature of the atoms was measured and heating mechanisms much more prevalent than in noble gas plasmas were brought to light and discussed.On the other hand, a rigorous bibliography on collisional data (census and questioning of the effective sections and reaction rates measured or calculated) of atomic and molecular iodine, allowed the development of numerical simulation tools aiming at reproducing the functioning of iodine plasmas. Firstly, a global model, averaged in volume and allowing the description of the essential characteristics of the plasma, was largely updated with the new set of cross-sections and enriched to take into account the heating of neutral species. Secondly, a one-dimensional multi-fluid model of the three major neutral species in an iodine plasma (atom in its ground state, first excited atomic state, and molecule) has been developed to simulate their densities, velocities, and temperatures along the thrust axis of the thruster. The inertia terms and heat fluxes of each species were taken into account.Comparisons between experiments and models proved to be relevant and led to several conclusions. At low injection flux or pressure (around 1 mTorr for our thruster), the plasma is fully dissociated. It behaves like a noble gas plasma, composed almost entirely of I atoms, positive I+ atomic ions, and electrons. It is in this operating regime, where dissociation is energetically inexpensive, that iodine can revolutionize the field of electric propulsion by being more efficient than its noble competitors (argon, krypton, and xenon) in producing ions, and thus generating better thrust. At higher rates, however, the molecules are no longer negligible and easily produce negative I- and molecular I2+ ions. Under these conditions, iodine is no longer competitive for propulsion, with krypton offering even better performance.
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, bien que produit de la distillation de l’air, a priori inépuisable, la très faible concentration de xénon dans l’atmosphère limite sa production annuelle et la demande grandissante obligent à trouver une alternative pérenne, aux performances comparables.L’iode, élément voisin du xénon dans le tableau périodique, est un candidat viable pour lui succéder malgré sa nature moléculaire et électronégative. Dans ce travail, nous tâchons de comprendre comment et pourquoi l’iode, à l’état plasma, peut envisager sereinement la bataille avec ses concurrents, et notamment le krypton, dans la course à l’espace.L’étude des plasmas d’iode, à basse pression, a été menée dans deux directions complémentaires.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 de nombreux diagnostiques électriques et optiques (sonde de Langmuir, photodétachement des ions négatifs I-, absorption sur des états atomiques excités, TALIF sur le niveau atomique fondamental) ont été développés et appliqués avec succès, dont certains pour la première fois. Ces travaux expérimentaux ont permis de mesurer les valeurs absolues de différentes espèces du plasmas (électrons, ions négatifs I-, ions positifs, molécules, différence de population entre les deux premiers états atomiques), de mettre en évidence la présence non négligeable d’un état atomique excité à 0.94~eV, de décaler tous les niveaux excités atomiques de 0.167 cm-1 vers le bas par rapport à la table spectroscopique de référence ou encore de mesurer le degré de dissociation moléculaire, avoisinant pour une puissance suffisante, plus de 95 %. Également, la température des atomes a été mesurée et des mécanismes de chauffage bien plus prégnants que dans des plasmas de gaz nobles ont été mis en lumière et discutés.D’autre part, un travail rigoureux de bibliographie sur les données collisionnelles (recensement et questionnement des sections efficaces et taux de réaction mesurés ou calculés) 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 global, moyenné en volume et permettant de décrire les caractéristiques essentielles du plasma, a été largement mis à jour avec le nouveau jeu de sections efficaces et enrichi pour prendre en compte le chauffage des espèces neutres. Deuxièmement, un modèle multi-fluide unidimensionnel des trois espèces neutres majoritaires dans un plasma d’iode (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 du propulseur. Les termes d’inertie et les flux de chaleur de chaque espèce ont été pris en compte.Les comparaisons entre les expériences et les modèles se sont révélées pertinentes et ont permis de dresser plusieurs conclusions. A faible flux d’injection ou faible pression (autour de 1 mTorr pour notre propulseur), le plasma est complètement dissocié et se comporte comme un plasma de gaz noble, composé quasi uniquement d’atomes I, d’ions atomiques positifs I+ et d’électrons. C’est dans ce régime de fonctionnement, où la dissociation est peu coûteuse énergétiquement, que l’iode peut révolutionner le domaine de la propulsion électrique en étant plus efficace que ses concurrents nobles (argon, krypton et xénon) pour produire des ions, et donc engendrer une meilleure poussée. A plus haut débit, en revanche, 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 du tout compétitif pour la propulsion, le krypton offrant même de meilleures performances.
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tel-03993075 , version 1 (16-02-2023)
tel-03993075 , version 2 (25-05-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03993075 , version 2

Cite

Benjamin Esteves. Investigation of iodine plasmas for space propulsion applications. Physics [physics]. Institut Polytechnique de Paris, 2022. English. ⟨NNT : 2022IPPAX134⟩. ⟨tel-03993075v2⟩
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