Le système solaire est un endroit vraiment grand et il faut une éternité pour voyager d'un monde à l'autre avec des fusées chimiques traditionnelles. Mais une technique, développée dans les années 1960, pourrait fournir un moyen de raccourcir considérablement nos temps de voyage: les fusées nucléaires.
Bien sûr, le lancement d'une fusée propulsée par des matières radioactives comporte également ses propres risques. Faut-il essayer?
Supposons que vous vouliez visiter Mars à l'aide d'une fusée chimique. Vous vous envoleriez de la Terre et iriez en orbite basse. Ensuite, au bon moment, vous tireriez votre fusée, soulevant votre orbite du Soleil. La nouvelle trajectoire elliptique que vous suivez croise Mars après huit mois de vol.
C'est ce qu'on appelle le transfert Hohmann, et c'est la façon la plus efficace de voyager dans l'espace, en utilisant le moins de propulseur et la plus grande charge utile. Le problème, bien sûr, c'est le temps qu'il faut. Tout au long du voyage, les astronautes consommeront de la nourriture, de l'eau, de l'air et seront exposés au rayonnement à long terme de l'espace lointain. Ensuite, une mission de retour double le besoin de ressources et double la charge de rayonnement.
Nous devons aller plus vite.
Il s'avère que la NASA réfléchit à la suite des fusées chimiques depuis près de 50 ans.
Fusées thermiques nucléaires. Ils accélèrent définitivement le voyage, mais ils ne sont pas sans risques, c'est pourquoi vous ne les avez pas vus. Mais peut-être que leur temps est arrivé.
En 1961, la NASA et la Commission de l'énergie atomique ont travaillé ensemble sur l'idée de propulsion nucléaire thermique, ou NTP. Cela a été lancé par Werner von Braun, qui espérait que des missions humaines voleraient vers Mars dans les années 1980, sur les ailes de fusées nucléaires.
Eh bien, cela ne s'est pas produit. Mais ils ont effectué avec succès des tests de propulsion thermique nucléaire et ont démontré que cela fonctionne.
Alors qu'une fusée chimique fonctionne en allumant une sorte de produit chimique inflammable puis en forçant les gaz d'échappement à sortir d'une buse. Grâce à la bonne vieille troisième loi de Newton, vous savez, pour chaque action il y a une réaction égale et opposée, la fusée reçoit une poussée dans la direction opposée des gaz expulsés.
Une fusée nucléaire fonctionne de la même manière. Une boule de marbre de taille Uranium subit le processus de fission, libérant une énorme quantité de chaleur. Cela chauffe un hydrogène à près de 2 500 C qui est ensuite expulsé à l'arrière de la fusée à grande vitesse. Vitesse très très élevée, donnant à la fusée deux à trois fois l'efficacité de propulsion d'une fusée chimique.
Rappelez-vous les 8 mois que j'ai mentionnés pour une fusée chimique? Une fusée thermique nucléaire pourrait réduire de moitié le temps de transit, voire 100 voyages d'une journée sur Mars. Ce qui signifie moins de ressources consommées par les astronautes et une charge de rayonnement plus faible.
Et il y a un autre gros avantage. La poussée d'une fusée nucléaire pourrait permettre aux missions de se dérouler lorsque la Terre et Mars ne sont pas parfaitement alignés. En ce moment, si vous manquez votre fenêtre, vous devez attendre encore 2 ans, mais une fusée nucléaire pourrait vous donner l'impulsion pour faire face aux retards de vol.
Les premiers essais de fusées nucléaires ont commencé en 1955 avec Project Rover au Los Alamos Scientific Laboratory. Le développement clé a été de miniaturiser suffisamment les réacteurs pour pouvoir les placer sur une fusée. Au cours des prochaines années, les ingénieurs ont construit et testé plus d'une douzaine de réacteurs de tailles et de puissances différentes.
Avec le succès de Project Rover, la NASA a jeté son dévolu sur les missions humaines vers Mars qui suivraient les atterrisseurs Apollo sur la Lune. En raison de la distance et du temps de vol, ils ont décidé que les fusées nucléaires seraient la clé pour rendre les missions plus capables.
Les fusées nucléaires ne sont pas sans risques, bien sûr. Un réacteur à bord serait une petite source de rayonnement pour l'équipage d'astronautes à bord, ce qui serait compensé par la diminution du temps de vol. L'espace profond lui-même est un énorme danger de rayonnement, le rayonnement cosmique galactique constant endommageant l'ADN de l'astronaute.
À la fin des années 1960, la NASA a mis en place le programme Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, ou NERVA, développant les technologies qui deviendraient les fusées nucléaires qui emmèneraient les humains sur Mars.
Ils ont testé des fusées nucléaires plus grandes et plus puissantes, dans le désert du Nevada, évacuant le gaz d'hydrogène à grande vitesse directement dans l'atmosphère. Les lois environnementales étaient alors beaucoup moins strictes.
Le premier NERVA NRX a finalement été testé pendant près de deux heures, avec 28 minutes à pleine puissance. Et un deuxième moteur a été démarré 28 fois et a fonctionné pendant 115 minutes.
À la fin, ils ont testé le réacteur nucléaire le plus puissant jamais construit, le réacteur Phoebus-2A, capable de produire 4 000 mégawatts d'électricité. Poussant pendant 12 minutes.
Bien que les divers composants n'aient jamais été réellement assemblés en une fusée prête pour le vol, les ingénieurs étaient convaincus qu'une fusée nucléaire répondrait aux besoins d'un vol vers Mars.
Mais ensuite, les États-Unis ont décidé qu'ils ne voulaient plus aller sur Mars. Ils voulaient plutôt la navette spatiale.
Le programme a été fermé en 1973 et personne n'a testé de fusées nucléaires depuis lors.
Mais les récents progrès technologiques ont rendu la propulsion thermique nucléaire plus attrayante. Dans les années 1960, la seule source de combustible qu'ils pouvaient utiliser était l'uranium hautement enrichi. Mais maintenant, les ingénieurs pensent qu'ils peuvent s'en sortir avec de l'uranium faiblement enrichi.
Ce serait plus sûr de travailler avec, et permettrait à plus d'installations de fusée d'exécuter des tests. Il serait également plus facile de capturer les particules radioactives dans les gaz d'échappement et de les éliminer correctement. Cela réduirait les coûts globaux de l'utilisation de la technologie.
Le 22 mai 2019, le Congrès américain a approuvé un financement de 125 millions de dollars pour le développement de fusées de propulsion thermique nucléaire. Bien que ce programme n'ait aucun rôle à jouer dans le retour de la NASA Artemis 2024 sur la Lune, il - cite - «demande à la NASA d'élaborer un plan pluriannuel qui permette une démonstration de propulsion thermique nucléaire, y compris le calendrier associé à la démonstration spatiale. et une description des missions futures et des systèmes de propulsion et d'alimentation électrique rendus possibles par cette capacité. »
La fission nucléaire est un moyen d'exploiter la puissance de l'atome. Bien sûr, il nécessite de l'uranium enrichi et génère des déchets radioactifs toxiques. Et la fusion? Où les atomes d'hydrogène sont pressés dans l'hélium, libérant de l'énergie?
La fusion du Soleil a fonctionné, grâce à sa masse et sa température centrale énormes, mais la fusion durable et à énergie positive a été insaisissable par nous, les humains chétifs.
D'énormes expériences comme ITER en Europe espèrent soutenir l'énergie de fusion au cours de la prochaine décennie. Après cela, vous pouvez imaginer que les réacteurs à fusion sont miniaturisés au point de pouvoir jouer le même rôle qu'un réacteur à fission dans une fusée nucléaire. Mais même si vous ne pouvez pas obtenir de réacteurs à fusion au point qu'ils sont positifs en énergie nette, ils peuvent toujours fournir une accélération énorme pour la quantité de masse.
Et peut-être que nous n'avons pas besoin d'attendre des décennies. Un groupe de recherche du Princeton Plasma Physics Laboratory travaille sur un concept appelé Direct Fusion Drive, qui, selon eux, pourrait être prêt beaucoup plus tôt.
Il est basé sur le réacteur de fusion Princeton Field-Reversed Configuration développé en 2002 par Samuel Cohen. Le plasma chaud d'hélium-3 et de deutérium est contenu dans un récipient magnétique. L'hélium-3 est rare sur Terre et précieux car les réactions de fusion avec celui-ci ne généreront pas la même quantité de rayonnement dangereux ou de déchets nucléaires que les autres réacteurs de fusion ou de fission.
Comme avec la fusée à fission, une fusée à fusion chauffe un propulseur à des températures élevées, puis le propulse à l'arrière, produisant une poussée.
Il fonctionne en alignant un tas d'aimants linéaires qui contiennent et tournent du plasma très chaud. Les antennes autour du plasma sont réglées sur la fréquence spécifique des ions et créent un courant dans le plasma. Leur énergie est pompée au point que les atomes fusionnent, libérant de nouvelles particules. Ces particules errent à travers le champ de confinement jusqu'à ce qu'elles soient capturées par les lignes de champ magnétique et qu'elles soient accélérées à l'arrière de la fusée.
En théorie, une fusée à fusion serait capable de fournir 2,5 à 5 newtons de poussée par mégawatt, avec une impulsion spécifique de 10 000 secondes - rappelez-vous 850 des fusées à fission et 450 des fusées chimiques. Il produirait également l’électricité dont le vaisseau spatial a besoin loin du Soleil, où les panneaux solaires ne sont pas très efficaces.
Un Direct Fusion Drive serait capable de transporter une mission de 10 tonnes vers Saturne en seulement 2 ans, ou un vaisseau spatial de 1 tonne de la Terre à Pluton en environ 4 ans. New Horizons en avait besoin de près de 10.
Puisqu'il s'agit également d'un réacteur à fusion de 1 mégawatt, il fournirait également de l'énergie à tous les instruments du vaisseau spatial à son arrivée. Beaucoup plus que les batteries nucléaires actuellement transportées par des missions spatiales comme Voyager et New Horizons.
Imaginez quels types de missions interstellaires pourraient également être envisagés avec cette technologie.
Et Princeton Satellite Systems n'est pas le seul groupe à travailler sur des systèmes comme celui-ci. Applied Fusion Systems a déposé une demande de brevet pour un moteur de fusion nucléaire qui pourrait fournir une poussée aux engins spatiaux.
Je sais que cela fait des décennies que la NASA a sérieusement testé des fusées nucléaires pour raccourcir les temps de vol, mais il semble que la technologie soit de retour. Au cours des prochaines années, je m'attends à voir de nouveaux matériels et de nouveaux tests de systèmes de propulsion nucléaire thermique. Et je suis incroyablement excité par la possibilité que de véritables moteurs de fusion nous emmènent dans d'autres mondes. Comme toujours, restez à l’écoute, je vous ferai savoir quand l’on vole.
