Canon électromagnétique à bobines

Un canon électromagnétique à bobines propulse un projectile par le seul magnétisme, sans poudre. Une rangée de bobines de fil enroulées autour du canon tire un projectile de fer tout du long, une bobine après l'autre. Charles Grafton Page décrivit un « canon magnétique » en 1845, et en 1903 la tentative de Kristian Birkeland pour vendre un canon électromagnétique s'acheva sur un court-circuit.

Ce que c’est

Un canon à bobines lance un projectile par le seul magnétisme. Son canon est un tube droit entouré de bobines de fil isolé, placées les unes après les autres. Quand un courant parcourt une bobine, celle-ci attire un morceau de fer vers son milieu. Des bobines alimentées tour à tour tirent le projectile le long du tube de plus en plus vite, et il sort par la bouche avec la vitesse acquise. Rien ne brûle et aucun gaz ne le pousse. On l’appelle aussi fusil de Gauss. Il se distingue du canon à rails, un autre lanceur électromagnétique, qui emploie deux rails au lieu de bobines.

Le premier canon à bobines fut une curiosité scientifique. Kristian Birkeland tenta plus tard d’en vendre un comme pièce d’artillerie, sans succès, et dans les années 1970 des ingénieurs construisirent sur ce principe des maquettes de lanceurs destinés à envoyer dans l’espace des roches extraites de la Lune.

Comment ça marche

Une bobine parcourue par un courant aspire une barre de fer et la tient suspendue.

Un courant qui parcourt une bobine de fil crée un champ magnétique, le plus fort à l’intérieur de la bobine et le long de son axe. Un morceau de fer placé dans ce champ devient lui-même un aimant, dont les pôles s’orientent de façon qu’il soit attiré vers l’endroit où le champ est le plus fort, le milieu de la bobine. En 1845, Charles Grafton Page décrivit comment une bobine pouvait aspirer une barre de fer jusqu’en son centre et l’y maintenir, suspendue sans aucun support visible.

Cette même attraction rend l’appareil difficile à construire. Les bobines n’accélèrent le projectile que si elles agissent l’une après l’autre, dans le bon ordre et au bon moment, et Page comme Birkeland durent trouver le moyen d’y parvenir.

Le projectile n’est pas forcément en fer. Il peut porter sa propre bobine, et les forces entre le courant de cette bobine en mouvement et ceux des bobines du canon le poussent alors en avant. Birkeland essaya cette disposition dans une version ultérieure de son canon, et les maquettes de mass driver des années 1970 transportaient leur charge dans un godet, le « bucket », poussé par une rangée de bobines motrices.

Les bobines demandent des courants très intenses pendant des instants très brefs, et c’est leur alimentation qui pose problème. Un défaut peut libérer d’un coup toute l’énergie accumulée sous forme d’arc ou de court-circuit, comme lors de la démonstration de Birkeland en 1903.

Histoire et évolution

Page présentait son canon magnétique de 1845 comme un instrument de démonstration.

Charles Grafton Page, professeur de chimie et de pharmacie et examinateur à l’Office des brevets des États-Unis, étudiait l’attraction d’une bobine sur une barre de fer. Dans un article sur un nouveau moteur électromagnétique, publié en 1845 dans l’American Journal of Science, il décrivit un « galvanic or magnetic gun ». Des bobines de fil placées à la suite formaient le canon, monté avec une crosse et une culasse, et elles lançaient une barre de fer tout du long. Page le présentait parmi des instruments de recherche et d’amusement. Fonctionnaire de l’Office des brevets, il n’avait pas le droit de breveter ses inventions, et il les publiait donc. La même attraction d’une bobine sur une barre faisait tourner les moteurs qu’il construisait, parents du moteur électrique.

Kristian Birkeland, professeur de physique à l’université de Kristiania, l’actuelle Oslo, depuis 1898, étudiait les aurores boréales et cherchait de l’argent pour ses recherches. En travaillant sur des aimants puissants, il eut l’idée d’un usage militaire et fonda en 1901 une société chargée de mettre au point un canon dont le projectile magnétique serait poussé par le champ d’une rangée de bobines disposées le long du tube. Il fit breveter le dispositif. Le 6 mars 1903, il en fit la démonstration dans l’ancienne salle des fêtes de l’université, devant un public où figuraient des représentants des fabricants d’armes Armstrong et Krupp ; les mémoires d’Eyde, et plusieurs récits qui en dérivent, donnent le 6 février. Un court-circuit dans le canon produisit un énorme éclair et un bruit assourdissant. Le projectile atteignit quand même sa cible de planches épaisses, mais Birkeland ne vendit ni son brevet ni un seul canon.

Les essais du canon eurent une autre suite. Birkeland avait vu qu’un arc électrique placé dans un champ magnétique s’étale en un disque. Au début de 1903, il rencontra l’ingénieur Sam Eyde, qui cherchait un très grand arc électrique pour fabriquer des composés azotés à partir de l’air, et le 20 février 1903, en vertu d’un accord passé avec Eyde, Birkeland déposa une demande de brevet pour une méthode fondée sur un tel arc. Le procédé Birkeland-Eyde tira des engrais de l’air et conduisit à la fondation de Norsk Hydro.

Mass Driver One, construit au MIT en 1977, poussait un petit godet à travers une rangée de bobines motrices.

Le principe revint dans les années 1970 pour un usage pacifique. Le physicien Gerard O’Neill proposa de lancer dans l’espace des matériaux extraits de la Lune avec un mass driver, une longue ligne de bobines qui accélèrent des godets de roche lunaire. Lancer des matériaux de construction depuis la surface de la Terre paraissait beaucoup trop coûteux, et la faible gravité de la Lune en faisait une meilleure source. En 1977, des étudiants du Massachusetts Institute of Technology, avec Henry Kolm et O’Neill, construisirent une maquette fonctionnelle, Mass Driver One, et la présentèrent à un colloque sur la fabrication dans l’espace, à Princeton. Des versions plus grandes suivirent à Princeton et au MIT.