Les dernières missions martiennes de la NASA, le rover Curiosity et Perseverance, suivies avec une attention particulière de l’Espagne, ont opté pour l’énergie nucléaire comme source d’énergie. La raison n’est autre que sa longue durée, sa fiabilité et le minimum d’entretien qu’il nécessite. Cependant, l’agence spatiale n’a pas testé de moteurs thermiques nucléaires depuis plus de 50 ans, lorsqu’il tenta de lancer une mission habitée vers Mars dans le cadre du programme NERVA. L’attente semble avoir une date d’expiration.
Dans une annonce récente, la NASA a annoncé sa collaboration avec la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) pour développer une technologie de propulsion nucléaire thermique avancée qui sera testé en 2027.
« Les astronautes pourraient voyager vers et depuis l’espace lointain plus vite que jamais« C’est à quel point l’administrateur de l’agence, Bill Nelson, était plein d’espoir lors de la conférence de presse où la NASA a reconnu qu’elle profiterait du programme DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), que la DARPA avait déjà lancé en 2021 pour étudier la technologie dans orbite.
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En fait, la DARPA sera chargée de développer entièrement le véhicule expérimental NTR, le navire dans lequel le nouveau propulseur sera utilisé, et de faire fonctionner la fusée en orbite. De son côté, la NASA travaillera à la fabrication de un moteur qui surpasse les moteurs actuels à plusieurs égards.
Deux moteurs en un
Le temps exact qu’il faudrait à un vaisseau spatial pour Mars avec ce nouveau moteur est encore inconnu. Mais on estime qu’une fusée thermique nucléaire peut se situer entre deux à cinq fois plus efficace que la propulsion chimique. Et nous ne parlons pas seulement de la durée de la mission, mais cela augmenterait également considérablement la capacité de charge utile du navire. De plus, avec une fusée de ces caractéristiques, le risque pour les astronautes serait réduit pour les prochaines missions habitées vers Mars.
Vue visionnaire d’une mission d’engin spatial rendue possible par la propulsion thermique nucléaire (NTP). NASA Omicrono
Un des les caractéristiques de ces moteurs -par rapport aux technologies de propulsion spatiale conventionnelles- est qu’ils utilisent un réacteur nucléaire avec lequel chauffer le propulseur lui-même à des températures extrêmes, pour provoquer l’expulsion qui produit le mouvement. Cela leur permet d’offrir un rapport poussée/poids élevé. Environ, la propulsion serait 10 000 fois supérieure à celle utilisée à l’époque par le vaisseau de mission DART, chargé de dévier une météorite.
Ceux qui connaissent ce type de moteur, comme Ryan Gosse, ingénieur en aérospatiale de l’Université de Floride, sont bien conscients qu’ils sont confrontés à un grand défi : générer la force nécessaire pour accélérer de grandes masses sur de longues périodes de temps.
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Gosse lui-même s’est lancé dans une tâche difficile qui pourrait révolutionner l’exploration spatiale: combiner dans un même moteur la propulsion nucléaire thermique (NTP, pour son sigle en anglais) et la propulsion nucléaire électrique (NEP). Sous le titre Bimodal NTP/NEP with a Wave Rotor Topping Cycle, cet ingénieur aérospatial a présenté sa proposition à la NASA.
L’agence spatiale américaine a sélectionné l’idée de Gosse – et 13 autres propositions – dans le cadre du NIAC, le programme de la NASA pour le « développement de concepts avancés à long terme ou entièrement nouveaux ». En fait, ce n’est pas un nouveau concept en tant que tel, mais cela pourrait être une avancée, car avec ce type de moteur qui utilise la double propulsion nucléaire thermique et électrique (NTP/NEP) vous pourriez atteindre Mars en seulement 45 jours.
Concept de moteur de propulsion nucléaire électrique. NASA Omicrono
L’avance de ce moteur n’est pas tant due à la durée de sa trajectoire qu’à la transfert de masses dépassant une tonne de poids. Un volume qui serait facilement atteint dans des vaisseaux pour des équipages humains qui établiraient des bases temporaires ou fixes à la surface martienne, comme certaines sur lesquelles travaille déjà la NASA.
Le système bimodal NTP/NEP proposé par Gosse repose sur deux technologies qui ont fait leurs preuves auparavant. D’une part, la propulsion nucléaire thermique qui utilise un réacteur nucléaire pour convertir l’hydrogène liquide en gaz. La propulsion nucléaire électrique, quant à elle, fait que le réacteur génère de l’électricité en accélérant des ions à travers l’ergol qui propulse le navire.
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Sans aucun doute, les deux systèmes commencent par avantage par rapport à la propulsion chimique conventionnelle: Ils ont une impulsion spécifique plus élevée, un meilleur rendement énergétique et une densité d’énergie pratiquement illimitée.
Ça oui, l’un et l’autre ont aussi des inconvénients. Par exemple, la force délivrée par un moteur à propulsion électronucléaire est inférieure au niveau offert par les fusées conventionnelles et celles à propulsion nucléaire thermique. Même ainsi, cette dernière ne serait pas non plus la meilleure option si une mission spatiale était réalisée nécessitant un budget Delta-V élevé, le paramètre qui mesure le changement de vitesse qui doit être effectué dans une manœuvre orbitale.
Concept du navire avec moteur à fusion nucléaire. ITER Omicrono
Ainsi, le modèle proposé par Gosse vise à éliminer les limitations des deux modes de propulsion pour concevoir un moteur bimodal basé sur un réacteur NERVA (Nuclear Engine for Application in Rocket Vehicle) qui a deux fois les performances des fusées actuelles.
Pour y parvenir, il utiliserait non seulement un réacteur nucléaire thermique, mais aussi — comme il l’indique dans le titre de sa proposition — comprendrait un compresseur à onde de pression. Également connu sous le nom de rotor à ondes (WR), il est utilisé dans les moteurs à combustion interne dans lesquels des ondes de pression sont utilisées pour comprimer l’air d’admission.
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Lorsqu’il est combiné avec un moteur de propulsion thermique nucléaire, le WR utiliserait la pression créée par le chauffage du combustible dans le réacteur pour comprimer davantage la masse de réaction du propulseur.
Traduit en temps, cela signifierait qu’une mission habitée vers Mars avec le moteur conçu par Gosse prendrait 45 jours. Cette technologie cela réduirait également le temps écoulé entre les lancements. Avec la propulsion conventionnelle, les missions vers Mars sont lancées tous les plus de deux ans – lorsque la Terre et Mars sont les plus proches – et il faut six à neuf mois avant l’atterrissage.
Surface martienne. NASA Omicrono
En outre, réduire la durée signifierait également moins d’exposition aux risques pour la santé qu’une mission vers Mars apporte déjàà la fois pour son rayonnement et pour être dans un environnement de microgravité.
défier les lois naturelles
Bien qu’il soit à un stade précoce de développement, Gosse pense déjà que sa conception bimodale « révolutionne l’exploration de l’espace lointain de notre système solaire« . Bien que dans cette révolution, l’ingénieur aérospatial ne soit pas seul.
En fait, les États-Unis ne sont pas le seul pays — et ce n’est pas la première fois — qui a opté pour le nucléaire comme avenir des missions spatiales. Avec la permission de la Russie, la Chine a déjà un plan pour coloniser la Lune.
Grâce à un nouveau réacteur à fission nucléaire conçu pour être embarqué à bord d’engins spatiaux, le géant asiatique pourrait produire un mégawatt : une quantité de Assez d’énergie pour alimenter 10 stations spatiales internationales.
Représentation de la colonie sur la Lune Agence Spatiale Européenne
au-delà de la Chine, La Russie est le pays qui a envoyé le plus de réacteurs nucléaires dans l’espace dépassant 30 unités, selon la World Nuclear Association. Pendant ce temps, les États-Unis n’en ont envoyé qu’un, en 1965.
Dans cette révolution nucléaire des vaisseaux spatiaux Le Royaume-Uni entend également prendre pied. Cela a été démontré à la fin de l’année dernière lorsque, par une annonce de son agence spatiale (UKSA), elle a communiqué son soutien économique et institutionnel à Pulsar Fusion.
Rendu de la fusée à moteur à fusion nucléaire Pulsar Fusion
Le moteur breveté Rolls Royce est basé sur un réacteur à fusion compact qui fournira une puissance de l’ordre de mégawatts avec des poussées comprises entre 10 et 101 newtons, servant également de générateur auxiliaire pour le reste des systèmes embarqués.
Connus en anglais sous le nom de moteurs révolutionnaires, ces systèmes de propulsion visent à révolutionner tout ce qui touche à l’exploration spatiale pour —qui sait si un jour— atteindre des planètes lointaines en quelques semaines.
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