Une nouvelle ère d'exploration spatiale derrière les moteurs de fusée à fusion

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

La NASA et Elon Musk rêvent de Mars, et les missions habitées dans l'espace lointain deviendront bientôt une réalité. Vous serez probablement surpris, mais les fusées modernes volent un peu plus vite que les fusées du passé.

Les vaisseaux spatiaux rapides sont plus pratiques pour diverses raisons, et le meilleur moyen d'accélérer est d'utiliser des fusées à propulsion nucléaire. Elles présentent de nombreux avantages par rapport aux fusées à carburant conventionnelles ou aux fusées électriques modernes à énergie solaire, mais au cours des 40 dernières années, les États-Unis n'ont lancé que huit fusées à propulsion nucléaire.

Cependant, au cours de la dernière année, les lois concernant les voyages spatiaux nucléaires ont changé et les travaux sur la prochaine génération de fusées ont déjà commencé.

Pourquoi la vitesse est-elle nécessaire ?

À la première étape de tout vol dans l'espace, un lanceur est nécessaire - il met le navire en orbite. Ces gros moteurs fonctionnent aux combustibles - et généralement, lorsqu'il s'agit de lancer des fusées, ils sont destinés. Ils n'iront nulle part de sitôt - tout comme la force de gravité.

Mais lorsque le vaisseau entre dans l'espace, les choses deviennent plus intéressantes. Pour vaincre la gravité de la Terre et aller dans l'espace lointain, le vaisseau a besoin d'une accélération supplémentaire. C'est là que les systèmes nucléaires entrent en jeu. Si les astronautes veulent explorer quelque chose au-delà de la Lune ou plus encore de Mars, ils devront se dépêcher. Le cosmos est immense, et les distances sont plutôt grandes.

Il y a deux raisons pour lesquelles les fusées rapides sont mieux adaptées aux voyages spatiaux longue distance: la sécurité et le temps.

En route vers Mars, les astronautes sont confrontés à des niveaux de rayonnement très élevés, chargés de graves problèmes de santé, notamment le cancer et l'infertilité. Le blindage contre les radiations peut aider, mais il est extrêmement lourd et plus la mission est longue, plus un blindage puissant sera nécessaire. Par conséquent, le meilleur moyen de réduire la dose de rayonnement est simplement d'arriver plus rapidement à destination.

Mais la sécurité de l'équipage n'est pas le seul avantage. Plus nous prévoyons de vols lointains, plus tôt nous avons besoin de données provenant de missions sans pilote. Il a fallu 12 ans à Voyager 2 pour atteindre Neptune - et en passant, il a pris des photos incroyables. Si Voyager avait un moteur plus puissant, ces photographies et données seraient apparues chez les astronomes bien plus tôt.

La vitesse est donc un avantage. Mais pourquoi les systèmes nucléaires sont-ils plus rapides ?

Les systèmes d'aujourd'hui

Après avoir surmonté la force de gravité, le navire doit tenir compte de trois aspects importants.

Poussée- quelle accélération le navire recevra.

Efficacité pondérale- quelle poussée le système peut produire pour une quantité donnée de carburant.

Consommation d'énergie spécifique- combien d'énergie une quantité donnée de carburant dégage.

Aujourd'hui, les moteurs chimiques les plus courants sont les fusées à carburant conventionnelles et les fusées électriques à énergie solaire.

Les systèmes de propulsion chimique fournissent beaucoup de poussée, mais ne sont pas particulièrement efficaces, et le carburant de fusée n'est pas très énergivore. La fusée Saturn 5 qui a transporté des astronautes sur la lune a fourni 35 millions de newtons de force au décollage et a transporté 950 000 gallons (4 318 787 litres) de carburant. La majeure partie a été consacrée à la mise en orbite de la fusée, les limites sont donc évidentes: où que vous alliez, vous avez besoin de beaucoup de carburant lourd.

Les systèmes de propulsion électrique génèrent une poussée en utilisant l'électricité provenant de panneaux solaires. Le moyen le plus courant d'y parvenir est d'utiliser un champ électrique pour accélérer les ions, par exemple, comme dans un propulseur à induction Hall. Ces appareils sont utilisés pour alimenter les satellites et leur efficacité pondérale est cinq fois supérieure à celle des systèmes chimiques. Mais en même temps, ils donnent beaucoup moins de poussée - environ 3 newtons. C'est seulement suffisant pour accélérer la voiture de 0 à 100 kilomètres par heure en environ deux heures et demie. Le soleil est essentiellement une source d'énergie sans fond, mais plus le navire s'en éloigne, moins il est utile.

L'une des raisons pour lesquelles les missiles nucléaires sont particulièrement prometteurs est leur incroyable intensité énergétique. Le combustible à l'uranium utilisé dans les réacteurs nucléaires a un contenu énergétique 4 millions de fois supérieur à celui de l'hydrazine, un combustible chimique typique pour fusée. Et il est beaucoup plus facile d'envoyer de l'uranium dans l'espace que des centaines de milliers de gallons de carburant.

Qu'en est-il de la traction et de l'efficacité du poids ?

Deux options nucléaires

Pour les voyages spatiaux, les ingénieurs ont développé deux principaux types de systèmes nucléaires.

Le premier est un moteur thermonucléaire. Ces systèmes sont très puissants et très efficaces. Ils utilisent un petit réacteur à fission nucléaire - comme ceux des sous-marins nucléaires - pour chauffer un gaz (comme l'hydrogène). Ce gaz est ensuite accéléré à travers la tuyère de la fusée pour fournir une poussée. Les ingénieurs de la NASA ont calculé qu'un voyage vers Mars utilisant un moteur thermonucléaire sera 20 à 25 % plus rapide qu'une fusée avec un moteur chimique.

Les moteurs à fusion sont plus de deux fois plus efficaces que les moteurs chimiques. Cela signifie qu'ils fournissent deux fois la poussée pour la même quantité de carburant - jusqu'à 100 000 Newtons de poussée. C'est suffisant pour accélérer la voiture à une vitesse de 100 kilomètres par heure en un quart de seconde environ.

Le deuxième système est un moteur de fusée électrique nucléaire (NEPE). Aucun d'entre eux n'a encore été créé, mais l'idée est d'utiliser un puissant réacteur à fission pour produire de l'électricité, qui alimentera ensuite un système de propulsion électrique comme un moteur Hall. Ce serait très efficace - environ trois fois plus efficace qu'un moteur à fusion. Comme la puissance d'un réacteur nucléaire est énorme, plusieurs moteurs électriques distincts peuvent fonctionner en même temps, et la poussée s'avérera solide.

Les moteurs-fusées nucléaires sont peut-être le meilleur choix pour les missions à très longue portée: ils ne nécessitent pas d'énergie solaire, sont très efficaces et fournissent une poussée relativement élevée. Mais malgré tout leur caractère prometteur, le système de propulsion nucléaire a encore beaucoup de problèmes techniques qui devront être résolus avant d'être mis en service.

Pourquoi n'y a-t-il toujours pas de missiles à propulsion nucléaire ?

Les moteurs thermonucléaires ont été étudiés depuis les années 1960, mais ils n'ont pas encore volé dans l'espace.

En vertu de la charte des années 1970, chaque projet spatial nucléaire était considéré séparément et ne pouvait aller plus loin sans l'approbation d'un certain nombre d'agences gouvernementales et du président lui-même. Couplé à un manque de financement pour la recherche sur les systèmes de missiles nucléaires, cela a entravé la poursuite du développement de réacteurs nucléaires pour une utilisation dans l'espace.

Mais tout a changé en août 2019 lorsque l'administration Trump a publié un mémorandum présidentiel. Tout en insistant sur la sécurité maximale des lancements nucléaires, la nouvelle directive autorise toujours les missions nucléaires avec de faibles quantités de matières radioactives sans approbation interagences compliquée. La confirmation par un organisme sponsor comme la NASA que la mission est conforme aux recommandations de sécurité est suffisante. Les grandes missions nucléaires suivent les mêmes procédures qu'auparavant.

Parallèlement à cette révision des règles, la NASA a reçu 100 millions de dollars du budget 2019 pour le développement de moteurs thermonucléaires. La Defense Advanced Research Projects Agency développe également un moteur spatial thermonucléaire pour les opérations de sécurité nationale au-delà de l'orbite terrestre.

Après 60 ans de stagnation, il est possible qu'une fusée nucléaire aille dans l'espace d'ici une décennie. Cet incroyable exploit inaugurera une nouvelle ère de l'exploration spatiale. L'homme ira sur Mars et les expériences scientifiques mèneront à de nouvelles découvertes dans tout le système solaire et au-delà.