Catégories
Espace et Galaxies

Pour explorer le système solaire en toute sécurité et au-delà, les vaisseaux spatiaux doivent aller plus vite – les fusées à propulsion nucléaire peuvent être la réponse

Cet article a été initialement publié sur La conversation. La publication a contribué l'article à Space.com Voix d'experts: Op-Ed & Insights. Lis le article original.

Iain Boyd, Professeur de sciences de l'ingénierie aérospatiale, Université du Colorado Boulder

Avec des rêves de Mars en tête de la NASA et d'Elon Musk, des missions à longue distance en équipage dans l'espace arrivent. Mais vous pourriez être surpris d'apprendre que les fusées modernes ne vont pas beaucoup plus vite que les fusées du passé.

Il y a beaucoup de raisons pour lesquelles un vaisseau spatial plus rapide est meilleur, et les fusées à propulsion nucléaire sont un moyen de le faire. Ils offrent de nombreux avantages par rapport aux fusées à combustible traditionnelles ou aux fusées électriques modernes à énergie solaire, mais il n'y a eu que huit lancements spatiaux américains transportant des réacteurs nucléaires au cours des 40 dernières années.

Cependant, l'année dernière, les lois régissant les vols spatiaux nucléaires ont changé et les travaux ont déjà commencé sur cette prochaine génération de fusées.

Pourquoi le besoin de vitesse?

La première étape d'un voyage dans l'espace implique l'utilisation de fusées de lancement pour mettre un navire en orbite. Ce sont les gros moteurs à combustion que les gens imaginent lorsqu'ils pensent aux lancements de fusées et ne risquent pas de disparaître dans un avenir prévisible en raison des contraintes de gravité.

C'est une fois qu'un navire atteint l'espace que les choses deviennent intéressantes. Pour échapper à la gravité de la Terre et atteindre des destinations lointaines, les navires ont besoin d'une accélération supplémentaire. C'est là que les systèmes nucléaires entrent en jeu. Si les astronautes veulent explorer autre chose que la lune et peut-être Mars, ils vont devoir aller très très vite. L'espace est immense et tout est loin.

Il y a deux raisons pour lesquelles des fusées plus rapides sont meilleures pour les voyages spatiaux à longue distance: la sécurité et le temps.

Les astronautes en voyage vers Mars seraient exposés à des niveaux de rayonnement très élevés qui peuvent causer de graves problèmes de santé à long terme tels que le cancer et la stérilité. Le blindage contre les radiations peut aider, mais il est extrêmement lourd, et plus la mission est longue, plus le blindage est nécessaire. Une meilleure façon de réduire l'exposition aux rayonnements consiste simplement à arriver plus rapidement où vous allez.

Mais la sécurité humaine n'est pas le seul avantage. Alors que les agences spatiales explorent plus loin dans l'espace, il est important d'obtenir les données des missions sans équipage dès que possible. Il a fallu 12 ans à Voyager 2 pour atteindre Neptune, où il a pris des photos incroyables en passant. Si Voyager 2 avait un système de propulsion plus rapide, les astronomes auraient pu avoir ces photos et les informations qu'elles contenaient des années plus tôt.

La vitesse est bonne. Mais pourquoi les systèmes nucléaires sont-ils plus rapides?

La fusée Saturn V était de 363 pieds de haut et surtout juste un réservoir d'essence.

La fusée Saturn V était de 363 pieds de haut et surtout juste un réservoir d'essence. (Crédit d'image: Mike Jetzer / heroicrelics.org, CC BY-NC-ND)

Systèmes d'aujourd'hui

Une fois qu'un navire a échappé à la gravité terrestre, il y a trois aspects importants à considérer lors de la comparaison de tout système de propulsion:

  • Poussée – à quelle vitesse un système peut accélérer un navire
  • Efficacité de masse – quelle poussée un système peut produire pour une quantité donnée de carburant
  • Densité d'énergie – combien d'énergie une quantité donnée de carburant peut produire

Aujourd'hui, les systèmes de propulsion les plus couramment utilisés sont la propulsion chimique – c'est-à-dire les fusées à combustion régulière – et les systèmes de propulsion électrique à énergie solaire.

Les systèmes de propulsion chimique fournissent beaucoup de poussée, mais les fusées chimiques ne sont pas particulièrement efficaces et le carburant des fusées n'est pas si dense en énergie. La fusée Saturn V qui a emmené des astronautes sur la Lune a produit 35 millions de newtons de force au décollage et transporté 950 000 gallons de carburant. Alors que la majeure partie du carburant a été utilisée pour mettre la fusée en orbite, les limites sont évidentes: il faut beaucoup de carburant lourd pour arriver n'importe où.

Les systèmes de propulsion électrique génèrent une poussée en utilisant l'électricité produite à partir de panneaux solaires. La façon la plus courante de le faire est d'utiliser un champ électrique pour accélérer les ions, comme dans le propulseur à effet Hall. Ces appareils sont couramment utilisés pour alimenter les satellites et peuvent avoir une efficacité massique cinq fois plus élevée que les systèmes chimiques. Mais ils produisent beaucoup moins de poussée – environ trois Newtons, ou juste assez pour accélérer une voiture de 0 à 60 mph en environ deux heures et demie. La source d'énergie – le soleil – est essentiellement infinie mais devient moins utile à mesure que le navire s'éloigne du soleil.

L'une des raisons pour lesquelles les fusées à propulsion nucléaire sont prometteuses est qu'elles offrent une densité d'énergie incroyable. Le combustible d'uranium utilisé dans les réacteurs nucléaires a une densité d'énergie qui est 4 millions de fois plus élevée que l'hydrazine, un propulseur chimique de fusée typique. Il est beaucoup plus facile d'amener une petite quantité d'uranium dans l'espace que des centaines de milliers de gallons de combustible.

Alors qu'en est-il de la poussée et de l'efficacité de masse?

La première fusée thermique nucléaire a été construite en 1967 et est vue en arrière-plan. Au premier plan se trouve l'enveloppe de protection qui contiendrait le réacteur.

(Crédit d'image: NASA / Wikipedia)

Deux options pour le nucléaire

Les ingénieurs ont conçu deux principaux types de systèmes nucléaires pour les voyages dans l'espace.

La première est appelée propulsion thermique nucléaire. Ces systèmes sont très puissants et moyennement efficaces. Ils utilisent un petit réacteur de fission nucléaire – similaire à ceux trouvés dans les sous-marins nucléaires – pour chauffer un gaz, comme l'hydrogène, et ce gaz est ensuite accéléré à travers une buse de fusée pour fournir une poussée. Les ingénieurs de la NASA estiment qu'une mission vers Mars propulsée par une propulsion nucléaire thermique serait 20% à 25% plus courte qu'un voyage sur une fusée à propulsion chimique.

Les systèmes de propulsion thermiques nucléaires sont plus de deux fois plus efficaces que les systèmes de propulsion chimiques – ce qui signifie qu'ils génèrent deux fois plus de poussée en utilisant la même quantité de masse de propulseur – et peuvent fournir 100 000 newtons de poussée. C'est assez de force pour obtenir une voiture de 0 à 60 mph en environ un quart de seconde.

Le deuxième système de fusée à base nucléaire est appelé propulsion électrique nucléaire. Aucun système électrique nucléaire n'a encore été construit, mais l'idée est d'utiliser un réacteur à fission de haute puissance pour produire de l'électricité qui alimenterait ensuite un système de propulsion électrique comme un propulseur à effet Hall. Ce serait très efficace, environ trois fois mieux qu'un système de propulsion nucléaire thermique. Étant donné que le réacteur nucléaire pourrait produire beaucoup d'énergie, de nombreux propulseurs électriques individuels pourraient être utilisés simultanément pour générer une bonne quantité de poussée.

Les systèmes électriques nucléaires seraient le meilleur choix pour les missions à très longue portée car ils ne nécessitent pas d'énergie solaire, ont un rendement très élevé et peuvent donner une poussée relativement élevée. Mais si les fusées nucléaires sont extrêmement prometteuses, il reste encore beaucoup de problèmes techniques à résoudre avant de les mettre en service.

Pourquoi n'y a-t-il pas encore de fusées à propulsion nucléaire?

Les systèmes de propulsion nucléaire thermique sont étudiés depuis les années 1960 mais n'ont pas encore volé dans l'espace.

Les règlements imposés pour la première fois aux États-Unis dans les années 1970 exigeaient essentiellement un examen au cas par cas et l'approbation de tout projet spatial nucléaire de la part de plusieurs agences gouvernementales et l'approbation explicite du président. Parallèlement au manque de financement pour la recherche sur les systèmes de fusées nucléaires, cet environnement a empêché de nouvelles améliorations des réacteurs nucléaires destinés à être utilisés dans l'espace.

Tout cela a changé lorsque l'administration Trump a publié un mémorandum présidentiel en août 2019. Tout en confirmant la nécessité de maintenir les lancements nucléaires aussi sûrs que possible, la nouvelle directive autorise les missions nucléaires avec de faibles quantités de matières nucléaires à sauter le processus d'approbation multi-agences. Seule l'agence sponsor, comme la NASA, par exemple, doit certifier que la mission répond aux recommandations de sécurité. Les missions nucléaires plus importantes suivraient le même processus qu'auparavant.

Parallèlement à cette révision de la réglementation, la NASA a reçu 100 millions de dollars dans le budget 2019 pour développer la propulsion nucléaire thermique. La DARPA développe également un système de propulsion nucléaire thermique pour permettre des opérations de sécurité nationale au-delà de l'orbite terrestre.

Après 60 ans de stagnation, il est possible qu'une fusée à propulsion nucléaire se dirige vers l'espace d'ici une décennie. Cette réalisation passionnante inaugurera une nouvelle ère d'exploration spatiale. Les gens iront sur Mars et des expériences scientifiques feront de nouvelles découvertes dans tout notre système solaire et au-delà.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Les opinions exprimées sont celles de l'auteur et ne reflètent pas nécessairement les vues de l'éditeur.

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *