Thèse: Modélisation numérique et théorique de la turbulence d'ondes dans les plasmas partiellement magnétisés (H/F)

Description du Poste

Sujet De Thèse

La propulsion électrique par satellite est une technologie qui fonctionne avec des plasmas à basse température. Certaines technologies de propulseurs, comme les propulseurs à effet Hall, utilisent un plasma partiellement magnétisé à basse pression, caractérisé par des électrons magnétisés, tandis que le rayon de Larmor des ions reste supérieur à la longueur typique du système. Dans ces conditions de basse pression, le plasma peut abriter différentes instabilités électrostatiques [1], comme les instabilités de dérive de gradient, hybrides basses fréquences, de dérive cyclotronique électronique, à deux flux modifiés, etc. Ces instabilités peuvent conduire à une turbulence d'ondes, qui modifie les propriétés macroscopiques de la décharge (par exemple, le courant électrique, la densité du plasma, etc.). Pour cette raison, une meilleure compréhension de la turbulence d'ondes est fondamentale pour la caractérisation des plasmas E×B.

Cette thèse vise à étudier, sur le plan théorique et numérique, la turbulence d'ondes dans les plasmas partiellement magnétisés pour la propulsion électrique. Elle développera de nouveaux modèles réduits d’équations capables de capturer les principaux modes observés dans ces plasmas, qui seront implémentés dans un code numérique. Par ailleurs, le problème de fermeture sera étudié afin d’analyser les flux de transport résultant de cette turbulence.

Refs.

[1] F. Petronio, T. Charoy, A. Alvarez Laguna, A. Bourdon, and P. Chabert, ‘Two-dimensional effects on electrostatic instabilities in Hall thrusters. I. Insights from particle-in-cell simulations and two-point power spectral density reconstruction techniques’, Phys. Plasmas, vol. 30, no. 1, p. 012103, Jan. 2023, doi: 10.1063/5.0119253.
[2] F. Petronio, A. Alvarez Laguna, A. Bourdon, and P. Chabert, ‘Study of the breathing mode development in Hall thrusters using hybrid simulations’, J. Appl. Phys., vol. 135, no. 7, p. 073301, Feb. 2024, doi: 10.1063/5.0188859.
[3] T. Charoy, T. Lafleur, A. A. Laguna, A. Bourdon, and P. Chabert, ‘The interaction between ion transit-time and electron drift instabilities and their effect on anomalous electron transport in Hall thrusters’, Plasma Sources Sci. Technol., vol. 30, no. 6, p. 065017, Jun. 2021, doi: 10.1088/1361-6595/ac02b3.
[4] T. Charoy et al., ‘2D axial-azimuthal particle-in-cell benchmark for low-temperature partially magnetized plasmas’, Plasma Sources Sci. Technol., vol. 28, no. 10, p. 105010, Oct. 2019, doi: 10.1088/1361-6595/ab46c5.
[5] F. Petronio, T. Charoy, A. Alvarez Laguna, A. Bourdon, and P. Chabert, ‘Two-dimensional effects on electrostatic instabilities in Hall thrusters. II. Comparison of particle-in-cell simulation results with linear theory dispersion relations’, Phys. Plasmas, vol. 30, no. 1, p. 012104, Jan. 2023, doi: 10.1063/5.0119255.

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Notre société dépend de plus en plus du fonctionnement des satellites. Ceux-ci jouent un rôle essentiel dans de nombreuses activités de notre vie quotidienne : la navigation par GPS, les télécommunications, la prévision météorologiques, la surveillance environnementale et la gestion des catastrophes, l’agriculture, etc. Depuis 2020, nous assistons à une révolution, marquée par une augmentation spectaculaire du nombre de lancements de petits satellites. Ces missions sont de plus en plus complexes et nécessitent un système de propulsion à bord du satellite pour contrôler sa trajectoire de manière durable, précise et fiable.

Au Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP), deux types de propulseurs à propulsion électrique (EP) sont étudiés : le propulseur à ions à grilles PEGASES et le propulseur à effet Hall. Le premier est un dispositif conçu pour ioniser un gaz, puis accélérer les ions ainsi formés grâce à une chute de potentiel appliquée à une grille métallique. Le second utilise un champ magnétique pour piéger les électrons, qui ioniseront ensuite le gaz injecté, augmentant ainsi leur temps de résidence dans le propulseur. Dans les deux cas, le champ magnétique est utilisé pour piéger les électrons, ce qui augmente leur temps de résidence et modifie le transport du plasma. Dans PEGASES, le piège magnétique permet de créer un plasma électronégatif ion-ion, tandis que dans le propulseur à effet Hall, le champ magnétique sert à réduire la conductivité axiale du plasma, augmentant ainsi le champ électrique et l’ionisation par impact électronique (voir la Figure 1 pour un schéma des propulseurs étudiés au LPP).

Ce projet sera développé dans le cadre d’une bourse du Conseil européen de la recherche (ERC). Ce projet de 5 ans vise à développer de nouvelles méthodes mathématiques pour l’étude numérique des propulseurs à propulsion électrique. Par ailleurs, cette thèse bénéficiera de l’environnement de recherche du LPP, en proposant une collaboration entre les équipes spécialisées dans les plasmas froids et les plasmas de fusion.

Contraintes et risques

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Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

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