Un professeur américain explique pourquoi les moteurs de fusées nucléaires sont plus efficaces que les moteurs chimiques. Par conséquent, ce sont eux qui aideront à explorer Mars et tout ce qui se trouve au-delà. Mais il ne pense pas à la question de savoir si la NASA aura assez d'argent pour développer de tels moteurs, si le Pentagone s'y engage également, et il est donné en premier.
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 la meilleure façon d'accélérer est d'utiliser des fusées à propulsion nucléaire. Elles présentent de nombreux avantages par rapport aux fusées à combustible 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 l'année écoulée, les lois concernant les voyages dans l'espace nucléaire 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 au carburant combustible - et généralement quand il s'agit de lancer des roquettes, ils sont sérieux. Ils n'iront nulle part de sitôt - pas plus que la force de gravité.
Mais lorsque le navire entre dans l'espace, les choses deviennent plus intéressantes. Pour surmonter la gravité de la Terre et aller dans l'espace lointain, le navire 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 doivent se dépêcher. Le cosmos est immense et les distances sont assez grandes.
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Il y a deux raisons pour lesquelles les fusées rapides sont mieux adaptées aux voyages spatiaux sur de longues distances: la sécurité et le temps.
Sur le chemin de Mars, les astronautes sont confrontés à des niveaux de rayonnement très élevés, pleins 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 plus puissant sera nécessaire. Par conséquent, la meilleure façon 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 les vols que nous prévoyons sont éloignés, plus vite nous avons besoin des données des missions sans pilote. Il a fallu 12 ans à Voyager 2 pour atteindre Neptune - et en passant, il a pris des photos incroyables. Si le 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 prendre en compte trois aspects importants.
Les plus courants aujourd'hui sont les moteurs chimiques, c'est-à-dire 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 pour fusée ne consomme pas beaucoup d'énergie. La fusée Saturn 5, qui a transporté des astronautes sur la Lune, a livré 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 des panneaux solaires. La manière la plus courante d'y parvenir est d'utiliser un champ électrique pour accélérer les ions, 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. Cela suffit seulement 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 une teneur en énergie 4 millions de fois supérieure à celle de l'hydrazine, un combustible de fusée chimique typique. Et il est beaucoup plus facile d’acheminer 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 dans l'espace, 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 buse de la fusée pour fournir une poussée. Les ingénieurs de la NASA ont calculé qu'un voyage sur Mars à l'aide d'un moteur thermonucléaire serait de 20 à 25% plus rapide qu'une fusée avec un moteur chimique.
Les moteurs à fusion sont deux fois plus efficaces que les moteurs chimiques. Cela signifie qu'ils délivrent deux fois plus de poussée pour la même quantité de carburant - jusqu'à 100 000 Newtons de poussée. Cela suffit pour accélérer la voiture à 100 kilomètres à l'heure en environ un quart de seconde.
Le deuxième système est un moteur de fusée électrique nucléaire (NEP). Aucun d'entre eux n'a encore été créé, mais l'idée est d'utiliser un puissant réacteur à fission pour générer de l'électricité, qui entraînera ensuite un système de propulsion électrique comme un moteur Hall. Ce serait très efficace - environ trois fois plus efficace qu'un moteur à fusion. La puissance d'un réacteur nucléaire étant énorme, plusieurs moteurs électriques séparés peuvent fonctionner en même temps et la poussée se révélera solide.
Les moteurs de 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 présente encore de nombreux 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 à fusion ont été étudiés depuis les années 1960, mais ils n'ont pas encore volé dans l'espace.
Selon la charte des années 1970, chaque projet spatial nucléaire était considéré séparément et ne pouvait aller plus loin sans l'approbation de plusieurs agences gouvernementales et du président lui-même. Associé à un manque de financement pour la recherche sur les systèmes de missiles nucléaires, cela a empêché la poursuite du développement de réacteurs nucléaires à utiliser 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 interinstitutions compliquée. La confirmation par une agence sponsor telle que la NASA que la mission est conforme aux recommandations de sécurité est suffisante. Les grandes missions nucléaires passent par les mêmes procédures qu'avant.
Parallèlement à cette révision des règles, la NASA a reçu 100 millions de dollars du budget 2019 pour le développement de moteurs thermonucléaires. L'Agence des projets de recherche avancée en matière de défense 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 ira dans l'espace d'ici une décennie. Cette incroyable réalisation inaugurera une nouvelle ère d'exploration spatiale. L'homme ira sur Mars et les expériences scientifiques mèneront à de nouvelles découvertes dans tout le système solaire et au-delà.
Iain Boyd est professeur de génie aérospatial à l'Université du Colorado à Boulder
