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La colonisation de l'espace
Performances des propulseurs (IV) Comment fonctionne le moteur d'une fusée ou d'une navette spatiale ? Ce genre de vaissseau pesant extrêment lourd et devant s'extraire de l'attraction terrestre dans une atmosphère dense, il est indispensable de trouver une technologie hybride pouvant à la fois fonctionner dans l'atmosphère et capable de propulser le vaisseau dans le vide. On pense immédiatement aux réacteurs qui équipent les avions-fusées comme le X-15, le X-43A ou des prototypes de longs-courriers. Mais ils sont inadaptés à un vol de longue durée et leur réservoir sont réduits au stricte nécessaire. Il faut donc développer une technologie spatiale particulière, ce que toutes les agences ont réussi à maîtriser au bout de quelques années d'essais et d'erreurs. Les moteurs les plus puissants servent à extraire le vaisseau spatial de l'attraction terrestre. Il s'agit de propulseurs chimiques, à poudre, et ne fonctionnent que quelques minutes, le temps de traverser l'atmosphère. Ils sont ensuite relayés par des moteurs-fusées cryogéniques fonctionnant avec de l'hydrogène et de l'oxygène liquide (LOX) ou de l'hydrazine lorsque le vaisseau atteint l'espace. L’avantage des moteurs à propulsion chimique est d’avoir un énorme rapport poussée/poids qui est idéal pour arracher une fusée de la surface d’un astre comme la Terre. Malheureusement l’accroissement de la poussée spécifique est limité. Si nous désirons atteindre ne fut-ce que 0.1% de la vitesse de la lumière (300 km/s) nous devons obtenir une poussée spécifique de 30000 secondes. Actuellement nous sommes au mieux 7 fois en dessous de cette valeur ! Nous devons donc nous orienter vers d’autres carburants. Fusée à poudre et hydrazine Une fusée ou une navette spatiale dont le site francophone Capcom Espace donne des descriptifs détaillés, utilise plusieurs types de carburants et de moteurs en fonction de la phase de vol. Pour s'arracher de la Terre dont l'attraction est relativement forte (9.81 m/s2), la fusée ou la navette doit pouvoir accélérer très rapidement, en d'autres termes disposer d'un maximum de puissance en un minimum de temps et maintenir cette poussée durant quelques minutes, le temps d'atteindre l'exosphère. Mais cela nécessite de stocker le carburant à bord du vaissseau ce qui n'est pas toujours possible. Il y a donc un compromis que les ingénieurs doivent trouver entre d'un côté le poids et le volume d'ergols (carburant et comburant) à embarquer et de l'autre la poussée ou l'impulsion recherchée.
A l'époque du programme Apollo, le premier étage de la fusée Saturn V (les réacteurs les plus bas dans la fusée) était composé de 5 réacteurs Rocketdyne F-1 (versions SA-501 à SA-503). Comme on le voit ci-dessus, chaque réacteur mesurait près de 3.7 m de diamètre pour 5.8 m de hauteur, pesait 8.4 tonnes à vide et délivrait 6.91 MN (1 N=0.981 Kg) de poussée au niveau de la mer pendant 159 s (puis 165 s dans les versions SA-504 et suivants). Ensembles, ils développaient 34.55 MN soit près de 34 kt de poussée. Selon les versions de moteurs, l'impulsion spécifique était de 260 s ou 263 s. Notons que la future fusée Falcon XX Heavy de SpaceX destinée aux missions lunaires ou martiennes devrait être 14 fois plus puissante que la fusée Saturn V ! Par comparaison, chacun des trois moteurs principaux (SSME) de la navette spatiale que l'on voit à gauche développait 1.7 méganewton de poussée au niveau de la mer et avec ses deux propulseurs d'appoint extérieurs (SRB ou Solid Rocket Booster), elle atteignait 5.25 méganewtons soit 6 fois moins que la fusée Saturn V. Mais c'était suffisant pour atteindre l'orbite basse. A l'heure actuelle le meilleur rapport poussée/poids est assuré par les carburants chimiques, c'est-à-dire les fusées à poudre ou SRM (Solid Rocket Motor) dont le carburant est constitué d'un mélange de butadiène, d'acide acrylique, de perchlorate d'ammonium, d'aluminium et de nitrate de potassium. Ce mélange offre une impulsion spécifique de l'ordre de 265 s, ce qui est plus de 2.5 fois supérieur aux performances de la nitroglycérine. Mais ce carburant occupe énormément de place. Avantage, cette "poudre blanche" est capable d'arracher pratiquement n'importe quel vaisseau à l'attraction terrestre. Ce carburant était utilisé dans les deux fusées d'appoint attachées au réservoir principal des navettes américaines et le retrouve dans les fusées traditionnelles. A l'époque des navettes spatiales, le gros réservoir extérieur contenait de l'hydrogène (LH2) et de l'oxygène liquide (LOX) car ce type d'ergol réduit d'environ mille fois le rapport de masse tout en offrant une vitesse d'éjection presque deux fois supérieur aux carburants chimiques. Cet ergol cryogénique est conduit aux moteurs à raison de 178000 litres d'hydrogène et 64000 litres d'oxygène par minute ! Comme pour la poudre, son inconvénient est sa consommation. A ce taux, au bout de quelques minutes tous les réservoirs extérieurs de la navette étaient vides. Inutiles, ils étaient abandonnés pour gagner du poids et ils retombaient dans l'océan où le tank externe était récupéré puis reconditionné pour un prochain vol.
Propulsée par son impulsion initiale, la navette pouvait quitter l'atmosphère mais elle subissait encore son attraction car elle n'avait pas atteint les 9.81 m/s2 nécessaires pour s'affranchir de la force gravitationnelle terrestre comme en était capable la fusée Saturn V. Lorsque les réservoirs étaient pratiquement vides et la navette arrivée dans l'espace à près de 28000 km/h (7.8 km/s), les ordinateurs de bord coupaient ses moteurs principaux (les moteurs cryogéniques SSME ou Space Shuttle Main Engines) et enclenchaient les moteurs à hypergols (les OMS localisés dans les deux grosses "bosses" situées près de la dérive verticale arrière et les RCS situés sur les OMS et de chaque côté de l'Orbiter). Ceux-ci fonctionnaient à l'hydrazine, un composant de la famille H2N-NH2, c'est-à-dire du monométhilhydrazine (MMH) ou du diméthilhydrazine asymétrique (UDMH) ou encore un mélange des deux appelé aérozine. Ce carburant équipait déjà les capsules Apollo, le module lunaire, les navettes américaines et équipe aujourd'hui les satellites pour assurer les petites corrections orbitales. L'hydrazine utilise comme comburant (oxydant) du tetro et peroxyde d'azote (N2O4). Son principal avantage est sa fiabilité : il brûle (ou plutôt détonne) spontanément dès qu'on l'injecte dans la chambre de combustion. A voir : Comprendre les flammes des fusées (I) - IIe partie
Techniquement ce type de moteur à hypergol est également plus simple à construire car il ne nécessite pas de chambre pressurisée, pas de turbopompe, ni d'allumeur, etc. En revanche, l'hydrazine est corrosif, toxique et même cancérigène... Si vous avez déjà marché sur le tarmac d'un aéroport ou sur une base aérienne peu après le décollage d'un jet vous devez certainement vous rappeler son odeur caractéristique. La charge utile embarquée à bord d'un vaisseau spatial est dimensionnée par rapport à l'altitude de la mise en orbite. Dans le cas des navettes, le maximum était de 104% du taux de puissance nominale, sachant que chaque moteur développait une poussée de 1734803 Newtons au niveau de la mer mais durant quelques minutes seulement. Globalement, au décollage la navette spatiale développait une poussée globale de 1360 tonnes dont 2x 1315t durant 2m2s pour les fusées à poudre et 3x 170 tonnes durant 8m30s pour les moteurs cryogéniques à hypergol liquide. En cas d'urgence les moteurs de la navette étaient capables de fonctionner à pleine puissance, "full power" ou puissance militaire, ce qui signifie dans le jargon de la NASA à 109% de la puissance nominale ! La voile solaire (photonique) Ce système de propulsion n'utilise pas de moteur mais plutôt la pression de radiation exercée par le Soleil (ou des lasers), en particulier le flux de protons et d'autres particules relativistes sur un grand film métallisé déployé dans l’espace. La voile permettrait d’atteindre quelques kilomètres par seconde et de modifier une trajectoire. Si à l'époque elle n'était envisagée que pour l’approche d’un système planétaire à faible vitesse, depuis des ingénieurs ont proposé de l'utiliser pour envoyer des nanosondes vers l'exoplanète la plus proche à une vitesse relativiste. On y reviendra. A ce jour, trois projets ont été concrétisés : Ikaros de la JAXA (2010) constitué d'une voile de 173 m2 (14.1 m de côté) en résine polyimide de 7.5 microns d'épaisseur et d'une masse de 15 kg (315 kg pour tout le système) et NanoSail D2 de la NASA (2011) constitué d'une voile de 10 m2 en CP1 de 7.5 microns d'épaisseur et d'une masse de quelques centaines de grammes (4 kg pour tout le système). La Planetary Society a également proposé la mission LightSail 1 qui est en cours de développement et dont le vaisseau test fut lancé avec succès en 2015 par une fusée Falcon Heavy de SpaceX. La voile LightSail 2 fut lancée en juillet 2019 avec succès. Il s'agit d'une voile de 32 m2 en mylar d'une masse équivalente à NanoSail 2. Elle resta en orbite autour de la Terre durant plus de deux ans. Ainsi qu'on le constate, il s'agit encore de projets expérimentaux. A
voir : LightSail-2,
TPS Calculatrice en ligne : Radiation Pressure, Omni Calculator
La poussée offerte par la voile solaire varie entre 1.6 millinewton par kilowatt pour Ikaros et 10 millinewtons par kilowatt pour une voile de 1200 m2 pesant 32 kg (projet Sunjammer de NASA mais abandonné), soit des valeurs plusieurs dizaines de milliers de fois inférieures aux autres systèmes de propulsions. Malgré sa faible impulsion, la voile d'Ikaros a tout de même atteint une accélération de 100 m/s2 après 6 mois de poussée et atteignit l'orbite de Vésus en décembre 2010, s'approchant de notre voisine à 80800 km de distance un jour après la sonde spatiale Akatsuki également lancée par la JAXA en mai 2010. Les moteurs du futur Le moteur à plasma Le moteur à plasma ou électrique, également appelé moteur ionique[10], offre une poussée trois fois supérieure et est 10 fois plus performant que son homologue chimique mais nécessite une puissance considérable. Le principe consiste à ioniser un gaz en le chauffant fortement. Les ions sont ensuite accélérés à grande vitesse puis éjectés du moteur. On a choisi le xénon car c'est un gaz neutre donc très stable et présentant un faible risque d'explosion. Ce système demande deux impulsions : la première vaporise le gaz tandis que la seconde grâce à un champ micro-onde transforme ce gaz en plasma (gaz ionisé) dont la température atteint environ 3.5 millions de degrés. Sa dilatation brusque provoque un choc en retour qui exerce une force sur l'aéronef. Mais il convient de l'amortir si on veut préserver le bien être de ses occupants.
Concrètement, une cathode de décharge sous tension émet des électrons qui entrent en collision avec les atomes d'un gaz neutre qui est ionisé. Les ions positifs ou cations sont ensuite accélérés à grande vitesse par un champ magnétique à travers un propulseur ionique à grille. Le faisceau de cations est ensuite de nouveau combiné avec les électrons libérés par un neutraliseur afin de charger le gaz neutre avant que le faisceau d'ions ne soit expulsé dans le vide en générant une poussée. Ce processus est indispensable pour empêcher les cations de créer une force de traînée qui réduirait l'efficacité du propulseur et sa vitesse vers l'avant. Tout ce processus est répété afin de produire la poussée nécessaire à l'engin spatial. La poussée d'un moteur à plasma est inefficace pour arracher un vaisseau spatial à l’attraction planétaire ou le faire atterrir car la force de la gravitation lui oppose une force bien plus importante. A titre de comparaison, la force excercée par un moteur ionique est équivalente à la force d'une feuille de papier posée sur la main; on ne resent aucune force. En revanche, si on transpose cette faible poussée dans l'espace où il n'y a pas de force de gravité (ou négligeable à petite échelle) et la résistance par friction est négligeable, elle produit d'étonnants résultats. Un moteur à plasma convient aux environnements gazeux à faible pression et tire tous ses effets dans le vide. Actuellement, la vitesse engendrée par ce type de moteur permet d'accélérer un engin spatial jusqu'à 320000 km/h soit près de 89 km/s (au début des années 2000, on atteignait 50 km/s). Le moteur ionique NEXT (NASA's Evolutionary Xenon Thruster) de la NASA est développé depuis le début des années 2000 par le centre Glenn (GRC). Ce moteur développe une poussée de 236 Newtons par kilowatt (contre 92 N/kW pour l'ancienne génération NSTAR), soit presque trois fois plus de puissance que NSTAR et atteint une impulsion spécifique de 4100 s, soit 25% supérieure au moteur NSTAR. En 2013, la NASA annonça que le moteur NEXT avait été testé de manière continue pendant 51000 heures soit près de 6 ans sans défaillir. C'est un moteur économique capable de propulser des sondes spatiales de 500 kg jusqu'aux confins du système solaire. L'ESA et le CNRS ont développé un moteur à plasma appelé Hall PPS-Flex mais qui ne développait (en 2014) qu'une puissance électrique de 200 W, soit des milliers de fois moins que la puissance nécessaire pour un vol spatial. Actuellement le moteur à plasma a été utilisé avec succès sur les satellites de la NASA des programmes New Millenium (EO, Deep Space, etc) et Discovery (Dawn, LRO, etc) et équipa la sonde spatiale Hayabusa de la JAXA. Le moteur NEXT pourrait être utilisé au cours d'une mission martienne dans le cadre du programme Mars 2022 Orbiter. Si on envisage la colonisation de Mars, le moteur à plasma permettrait d'atteindre Mars en 39 jours contre au moins 6 mois actuellement à l'aide de moteurs-fusées. A
voir : Le propulseur à effet
Hall PPS FLEX avec tir d'essai, GREM3/CNRS, 2012 Les moteurs à ion, Cosmogonia - How Do Ion Engines Work ?, Fraser Cain
Cette technologie basée sur un plasma de xénon ne convient pas pour propulser un avion en raison du problème lié à la friction dans l'atmosphère. En revanche, on peut produire un jet de plasma à partir de l'air et d'électricité et atteindre Mach 5 ou 10 dans la stratosphère. Selon des essais réalisés en 2020, le système développe sans difficulté une puissance de 1000 W (cf. Tang et Li, AIP, 2020) mais c'est loin des GW nécessaires pour propulser un avion hypersonique pesant des dizaines de tonnes volant à 15000 ou 30000 m d'altitude. Le moteur à plasma restera donc réservé aux satellites et aux sondes spatiales au moins jusqu'en 2050. Le moteur magnéto-plasmique Un autre projet est le RamJet de Robert Bussard, chercheur au laboratoire scientifique de Los Alamos. Elaboré en 1960, ce projet resta au stade théorique. Il s’agit d’un vaisseau de 500 m de longueur muni à l'avant d'une immense parabole magnétique pour collecter l'hydrogène interstellaire. Le flux de gaz est ensuite comprimé et dirigé vers un réaction à fusion qui l'éjecte à grandes vitesses. Voici un article en anglais (PDF) décrivant ce réacteur catalytique. Bussard calcula qu’un vaisseau d’une masse de 1000 tonnes, rencontrant une densité de protons de l’ordre de 109/m3 et utilisant un moteur à fusion 100% efficace, pourrait accélérer presque indéfiniment à 1 g. D’une vitesse initiale de l’ordre de quelques dizaines de km/s, le RamJet pourrait approcher la vitesse de la lumière en moins d'une année ! VASIMR Une variante plus simple à mettre en oeuvre est le moteur magnéto-plasmique qui est certainement l'une des solutions d'avenir. Des sociétés privées ainsi que la NASA et l'USAF travaillent actuellement sur ce type de moteur qui permet d'atteindre des vitesses relativistes. En 2016, la NASA avait investi 10 millions de dollars dans la compagnie Ad Astra Rocket installée au Texas pour développer ce moteur appelé VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket). A
voir : Magnetoplasma Rocket
Techniquement, VASIMR repose sur le principe du moteur à plasma ou électrique. Un gaz neutre composé d'hydrogène ou d'hélium est injecté dans un tube en quartz puis est préchauffé par induction magnétique dans une sorte de four micro-onde appelé l'hélicon où il est maintenu dans un champ magnétique axial supraconducteur afin d'obtenir une température de l'ordre de 30000 K, soit 5 fois supérieure à celle qui règne à la surface du Soleil. Ensuite, un second four appelé l'antenne ICRH (Ion Cyclotron Resonant Heating), ionise totalement le gaz qui se transforme en un plasma de 10 millions de K. Grâce au champ électrique induit, le système canalyse ce plasma très chaud d'ions qui est accéléré sur une trajectoire hélicoïdale vers la tuyère, produisant une poussée dite électromagnétique à l'arrière du moteur. Etant donné que le système requiert deux étapes (ionisation et accélération), on peut jouer sur la poussée en injectant plus de gaz ou sur la consommation en chauffant plus ou moins de gaz. La vitesse d'éjection varie entre 15 et 50 km/s. Selon le physicien Franklin Chang-Diaz du MIT qui fut astronaute sur la mission STS-91, expert dans la technologie de la fusion et qui travaille sur ce projet, VASIMR est prévu pour développer une puissance variable qui se chiffre en mégawatts. Lors des premiers tests en 2009, le prototype de moteur développait déjà plus de 200 MW, suffisamment pour atteindre Mars en 39 jours soit 10 fois plus rapidement que les meilleurs propulseurs chimiques actuels et en utilisant 10% seulement de la quantité de carburant. Selon Diaz, CEO de Ad Astra Rocket, comparé à la technologie actuelle, VASIMR permettra d'économiser des milliers de litres de propergols et des dizaines de millions de dollars par an. Le moteur à fusion (plasmique à reconnexion magnétique) Selon Fatima Ebrahimi, physicienne du Laboratoire de Physique des Plasmas à l'Université de Princeton (PPPL)qui est sous contrat avec le Ministère de l'Energie (DOE) américain, on peut fabriquer un moteur à fusion qui permettra à un vaisseau spatial de se déplacer 10 fois plus vite que les moteurs-fusées conventionnels et d'atteindre par exemple Mars en 90 jours.
Le principe consiste à accélérer des particules grâce à la reconnexion magnétique, un mécanisme à l'oeuvre dans les aurores et le Soleil dans lequel les lignes de force du champ magnétique convergent puis se brisent brusquement, projetant de manière explosive des particules chargées à des vitesses pouvant atteindre 600 km/s. La reconnexion magnétique se produit également à l'intérieur des tokamaks, des installations de confinement magnétique permettant de produire de l'énergie par fusion nucléaire (cf. ITER, NSTX, MASK, etc). Le concept imaginé par Ebrahimi fut publié dans le "Journal of Plasma Physics" en 2020. Dans une interview accordée au PPPL, Ebrahimi déclara : "J'ai eu l'idée en 2017 alors que j'étais assise sur un pont et que je réfléchissais aux similitudes entre les gaz d’échappement d'une voiture et les particules d'échappement à grande vitesse créées par l'expérience NSTX (National Spherical Torus Experiment) du PPPL, le précurseur de l’actuelle installation de fusion phare du laboratoire. Pendant son fonctionnement, ce tokamak produit des bulles magnétiques appelées plasmoïdes qui se déplacent à environ 20 km/s, ce qui m'a semblé beaucoup comme poussée." Des simulations informatiques réalisées sur les ordinateurs du PPPL et du NERSCC (National Energy Research Scientific Computing Center) du DOE installés au BNL, en Californie, ont montré que le nouveau concept de moteur plasmique peut propulser le plasma entre 20 et 500 km/s, soit dix fois plus vite que les autres propulseurs. Il y a trois principales différences entre le concept de propulseur d'Ebrahimi et les autres systèmes plasmiques. La première différence est que la modification de la force des champs magnétiques peut augmenter ou diminuer la poussée. Selon Ebrahimli, "En utilisant plus d’électro-aimants et plus de champs magnétiques, vous pouvez en fait tourner un bouton pour régler la vitesse avec précision." Ensuite, le nouveau propulseur produit un déplacement en éjectant à la fois des particules de plasma et des bulles magnétiques appelées plasmoïdes. Les plasmoïdes ajoutent de la puissance à la propulsion et aucun autre concept de propulseur ne les intègre. Enfin, contrairement aux concepts de propulseurs actuels qui reposent sur les champs électriques, les champs magnétiques du concept d’Ebrahimi permettent d'utiliser à l'intérieur du propulseur un plasma uniquement composé d'atomes lourds ou légers.
Cette flexibilité permet aux scientifiques d'adapter la quantité de poussée à une mission particulière. Selon Ebrahimi, "Alors que d'autres propulseurs nécessitent un gaz lourd, composé d'atomes comme le xénon, dans ce concept vous pouvez utiliser n’importe quel type de gaz que vous voulez." Dans certains cas, les scientifiques pourraient préférer un gaz léger car les petits atomes peuvent se déplacer plus rapidement. Ce concept élargit les projets de recherche du PPPL dans le domaine de la propulsion spatiale qui jusqu'à présent étaient centrés sur le propulseur à effet Hall (cf. Yevgeny Raitses et Nathaniel Fisch) qui pourrait être installé sur les petits satellites CubeSats en orbite autour de la Terre. Le moteur électromagnétique EmDrive L'EM Drive communément appelé "EmDrive" (ElectroMagnetic Drive) ou propulseur électromagnétique fut proposé en 2001 par l'ingénieur britannique Roger Shawyer. Longtemps considéré comme un moteur impossible à fabriquer (jeu de mot avec EM), il a depuis quelques années regagné la confiance des experts, notamment des ingénieurs des centres JSC et ARC de la NASA. Selon Shawyer, l'EmDrive est un moteur capable de produire une poussée sans consommer de carburant. Mais pendant des années les experts n'ont pas été en mesure de confirmer le fonctionnement du dispositif, d'où leur scepticisme et son surnom de propulseur "impossible". Sur le principe, l'EmDrive génère une poussée en faisant rebondir de l'énergie électromagnétique, en particulier des photons micro-ondes, dans une chambre conique fermée. Le dispositif contient un magnéton, c'est-à-dire un tube à vide transformant l'énergie cinétique en micro-ondes. L'idée n'est pas nouvelle et fut déjà expérimentée durant la Seconde guerre mondiale pour développer le radar et plus récemment pour mettre au point le four à micro-ondes. Cette partie technique est donc bien maîtrisée. En revanche, le système de propulsion est moins clair. Les micro-ondes de 1937 MHz générées par le magnéton doivent être canalisées dans une cavité résonante conique composée de deux surfaces réflectrices de tailles différentes et muni du côté de la plus petite surface d'un élément diélectrique résonant afin de générer une poussée orientée vers la petite surface de la cavité. A
voir : Roger Shawyer Explaining The Basic Science behind #EmDrive Full interview: Roger Shawyer, Creator of EmDrive, 2015 A lire : Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio-Frequency Cavity in Vacuum Article officiel sur l'EM Drive, NASA/ARC, 2016
Le dispositif ne comprend aucune pièce mobile et n'éjecte aucune matière et n'émet aucun rayonnement. C'est justement parce qu'il semble violer la troisième loi de Newton ou Loi du mouvement qui stipule qu'à toute action il y a une réaction : "l'action est toujours égale à la réaction ; c'est-à-dire que les actions de deux corps l'un sur l'autre sont toujours égales et de sens contraires" et ne conserve pas la quantité de mouvement (p = mv) qu'il paraissait suspect. Mais Shawyer a toujours prétendu le contraire. Sans entrer dans les détails des développements très techniques et hasardeux et toujours en cours, les premiers essais positifs ont été obtenus en 2010 par des chercheurs de l'Université Polytechnique du Nord-Est en Chine puis entre 2013 et 2015 par la NASA suite aux expériences conduites par l'équipe de Harold G. White du centre JSC. D'autres laboratoires ont ensuite pu reproduire l'expérience avec succès mais uniquement à basse poussée et au sol. Ce n'est pas pour autant que l'EmDrive a converti les sceptiques. En effet, bien que les tests aient été effectués dans un vide poussé, ils ont été mis en oeuvre dans des conditions terrestres qui ne sont pas celles de l'espace où règne un vide absolu à gravité zéro. De plus, il n'existe aucune théorie complète permettant de s'assurer que les résultats sont bien ceux attendus. En résumé, sans utiliser de carburant, l'EmDrive convertit l'électricité en poussée. Pour l'heure une poussée de 1.2 millinewton par kilowatt a bien été détectée lors des tests de la NASA, ce qui est de l'ordre des petites voiles solaires mais reste nettement moins efficace que le moteur ionique. Toutefois, de nouveaux essais réalisés en 2018 ont démontré que la poussée précédemment détectée était illusoire, du moins selon une équipe de chercheurs d'Allemagne dirigée par Martin Tajmar de l'Institut d'ingénierie aérospatiale de l'Université Technique de Dresden. Ils ont construit leur propre EmDrive et l'ont testé dans une chambre à vide, comme l'ont fait les chercheurs de la NASA. Selon l'équipe allemande, l'analyse des résultats "indique clairement que la "poussée" ne vient pas de l'EmDrive mais d'une interaction électromagnétique." Cette interaction s'est probablement établie entre les câbles alimentant l'EmDrive et le champ magnétique terrestre. Les résultats de cette expérience furent présentés lors de la conférence "Space Propulsion 2018" qui s'est tenue du 14 au 18 mai 2018 à Séville, en Espagne. Bref, toutes les expériences confirment que l'effet mesuré est extrêmement petit ou n'existe pas. A la limite, la mesure de la force est si peu significative et le niveau d'incertitude et de la marge d'erreur tellement élevés qu'elle ne vaudrait même pas une publication scientifique ! Depuis l'introduction du concept en 2001, la majorité des physiciens et des ingénieurs en aérospatiale en sont venus à détester l'EmDrive tellement les résultats sont ridicules et leur font perdre leur temps. Toutefois, ce projet n'est pas encore abandonné car quelques chercheurs souhaitent encore tester ce moteur. Fondamentalement, le seul avantage de l'EmDrive est l'économie de carburant qui en ferait un système de propulsion efficace pour des missions de longues durées. Selon Shawyer, à pleine puissance, une fusée EmDrive pourrait atteindre Mars en 70 jours. C'est donc une invention potentiellement géniale qui mérite d'être approfondie. Affaire à suivre.
Le moteur nucléaire : Orion et Daedalus La propulsion nucléaire telle qu’elle est présentée dans le film "Deep Impact" de M.Leder sortit en 1998 remonte à une idée qui germa dans l’esprit de Theodore B. Taylor (1925-2004) durant l’âge d’or du nucléaire, en 1958, alors qu’il travaillait lui aussi à Los Alamos après avoir passé quelques années chez General Atomics, une division de General Dynamics. Freeman Dyson sera son coéquipier ainsi que quelques autres ténors. Baptisé Orion, il s’agissait d’un programme de recherche très sensible qui resta longtemps entre les mains du Département de la Défense américain, puis il fut transféré à l’US Air Force pour finalement revenir à la NASA. Le projet Orion consistait en un vaisseau spatial de 125 m de longueur à propulsion nucléaire. Des explosions nucléaires répétées de bombes à fission devaient donner une impulsion suffisante au vaisseau pour franchir des distances interstellaires. Mais le principal problème était le stockage du combustible, l’amortissement des chocs et le risque potentiel qu’encourait l’équipage; une erreur et c’était Hiroshima ! Techniquement parlant Orion devait produire une poussée spécifique de l’ordre de 2 à 6000 secondes avec une évolution possible au fil des générations jusqu’à 20000 secondes. Chaque impulsion nucléaire devait produire une énergie de 0.01 à 10 kT et devait se répéter toutes les 1 à 10 secondes. En 1959, Dyson et ses collègues proposèrent trois versions comme le montre le tableau suivant :
Le vaisseau Super Orion pouvait contenir la population d'une ville et correspond au concept d'arche interstellaire ou de vaisseau générationnel sur lequel nous reviendrons. Sa construction était fondée sur les matériaux disponibles à l'époque ou qui seraient disponibles dans les années 1960. Ainsi, la plus grande partie des 3 tonnes de chacune des unités de propulsion du Super Orion étaient constituées de matériaux inertes tels que le polyéthylène - du plastique ordinaire ! - ou les sels de bore, utilisés pour transmettre la force de l'explosion de l'unité de propulsion à la plaque de poussée d'Orion et absorber les neutrons afin de minimiser les retombées radioactives. Un des modèles de Super Orion proposé par Dyson prévoyait que la plaque de poussée soit composée principalement d'uranium ou d'un élément transuranien, de sorte qu’une fois parvenue à proximité d'un système stellaire, cette plaque puisse être convertie en combustible nucléaire.
Dyson proposa également une version "energy limited" - limitée par la seule capacité énergétique - du Super Orion de... 20 km de diamètre pesant 10 millions de tonnes à vide dont 5 millions de tonnes pour la plaque de cuivre hémisphérique et contenant 30 millions de bombes de 1 MT. Le vaisseau pouvait atteindre 1000 km/s avec une accélération moyenne de 0.00003 g. Mais à cette vitesse et sans ralentir, il lui faudrait 1330 ans pour atteindre Alpha du Centaure. Le coût de cette version fut estimé à 1 an du PIB (anc. PNB) des États-Unis soit l'équivalent de 20000 milliards de dollars actualisés (2021) ! Heureusement si l'on peut dire, une version "économique" et plus rapide (100 m de diamètre, 100 kt à vide et comprenant 300000 bombes, accélération de 1 g) permettrait de rejoindre Alpha du Centaure en 133 ans et coûterait dix fois moins cher soit 10% du PIB des États-Unis soit l'équivalent de celui de l'Italie... Etait-ce plus raisonnable ? Bien sûr que non !
Le projet Orion bien que trop ambitieux resta marginal car rétrospectivement il était démesuré et irréaliste voire carrément débile, fruit de l'imagination débridée de Dyson mais déliée de tout lien avec la réalité ! Rien qu'en recherche et développement, il coûta 11 millions de dollars de 1965 - 103 millions de dollars actualisés en 2022, soit le prix d'une belle sonde spatiale et occupa 40 personnes à temps-plein durant 7 ans. Mais il fut abandonné par manque d’intérêt des politiciens, de la forte compétition qu’offraient les fusées conventionnelles et surtout par la signature en 1963 du moratoire international qui interdisait les explosions nucléaires dans l’espace pour la sécurité des missions spatiales. De toute façon, de nos jours un propulseur de cette nature n'aurait jamais été fabriqué, non seulement en raison de son coût mais surtout en raison des risques d'explosion et de contamination. Après ces folies typiques de "l'Âge atomique", les ingénieurs sont revenus à des projets plus sûrs et plus réalistes. Selon Theodore Taylor, ce projet a vécu : "nous avons beaucoup mieux qu’Orion" disait-il à un journaliste en pensant à la propulsion électrique des sondes Deep Space de la NASA. Si l’explosion de bombes dans l’espace est bannie, la fusion contrôlée est une autre solution pour effectuer les approches planétaires à vitesse réduite, en utilisant les propulseurs ioniques puis chimiques. C’est la solution adoptée pour le projet de vaisseau spatial Daedalus imaginé par Alan Bond[11], ingénieur chez Rolls-Royce, et ses collègues de la British Interplanetary Society entre 1973 et 1978. Daedalus, dont on voit une illustration à droite, est propulsé par de l’hélium-3 qui, par fusion nucléaire, pourrait produire une poussée spécifique de 106 secondes, une énergie nécessaire pour propulser le vaisseau de 54000 tonnes (la dernier version pesait 60000 tonnes) vers l’étoile de Barnard à 12% de la vitesse de la lumière soit ~36000 km/s). Mais le projet fut abandonné. Le projet Daedalus a toutefois inspiré de nouveaux projets comme Icarus, un projet international né de la coopération entre la British Interplanetary Society et la Fondation Tau Zero qui vise à dresser les plans d'un vaisseau interstellaire à fusion nucléaire tirant avantage des dernières technologies. Mais soyons rassurés, dans tous les cas, à l'avenir aucune agence spatiale n'envisage de propulser ses vaisseaux spatiaux au moyen de bombes atomiques, les risques d'accidents n'étant pas négligeables. En revanche, le moteur électrique à fission nucléaire reste une alternative toujours d'actualité, au même titre que les moteurs électrostatiques ou électromagnétiques.
Le générateur électrique nucléaire Kilopower En 2018, la NASA présenta un nouveau générateur électrique fonctionnant à l'énergie nucléaire appelé Kilopower. Ce réacteur de nouvelle génération repose sur la fission (le même principe que les centrales nucléaires) et non plus sur la simple désintégration d'un radioisotope du plutonium comme les anciens RTG (Radioisotope Thermoelectric Generators) et MMRTG (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generators). Selon la NASA, ce réacteur nucléaire pourrait équiper tous les postes avancés lunaires ou les sondes spatiales, orbitales et rovers, dans les décennies à venir. Le problème avec les RTG et autres MMRTG est qu'ils fournissent moins de 200 watts d'énergie électrique (190 W pour la sonde New Horizons qui visita Pluton en 2015). C'est suffisant pour alimenter un robot itinérant mais à peine pour une colonie. Si on veut s'installer sur la Lune ou explorer le système solaire au-delà de la Ceinture des astéroïdes, il faut disposer d'une source d'énergie suffisamment puissante et fiable. Or avec des panneaux solaires, la puissance diminue comme l'inverse du carré de la distance au Soleil. Pour remédier à ce problème, actuellement il faut ajouter à la sonde spatiale de plus grands panneaux solaires comme ce fut le cas avec la mission Juno qui explora Jupiter. De plus, le stock de Pu-238 disponible aux Etats-Unis ou en Europe s'amenuise. Selon l'INL, depuis 1993 l'essentiel du stock de ce radioisotope provient de Russie. Dans le cas des États-Unis, en 2015 le DoE annonça qu'il fermait l'usine de Savannah River qui produisait le Pu-238 mais il a maintenu une petite production pour l'exploration spatiale. Mais à terme, cette solution n'a plus aucun intérêt. A
voir : Powering a
Habitat on Mars with Kilopower, LANL
Le générateur nucléaire Kilopower produit 10 kW d'électricité en continu pendant 10 ans (c'est plus que suffisant pour alimenter plusieurs habitations) et selon la NASA ce système est capable de fonctionner dans des environnements extrêmes (froid, chaleur, tempête de sable, etc). Selon Lee Mason de la NASA, "Kilopower donne accès à toute la surface de Mars, y compris aux latitudes septentrionales où de l'eau existe." L'énergie nucléaire portable serait également idéale pour explorer les cratères des régions polaires de la Lune plongés en permanence dans l'ombre. Le seul soucis est le risque lié au lancement d'un générateur nucléaire. En 1964, la NASA perdit son tout premier générateur de ce type qui retomba et brûla au-dessus de l'Océan Indien peu après son décollage. Ensuite, il y eut l'accident d'Apollo XIII qui embarqua aussi un générateur nucléaire dans le système ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiments Package) qui aurait dû rester sur la Lune si la mission avait abouti. Heureusement les débris sont retombés sur Terre au-dessus de la fosse des Mariannes dans l'Océan Pacifique tandis que le module lunaire Aquarius servit de bouée de sauvetage à l'équipage. De nos jours, la population est exposée à une dose cumulée moyenne de rayonnement ionisant d'environ 620 millirems par an. Si le coeur d'un réacteur Kilopower venait à exploser au cours de son lancement, l'uranium non fissionné exposerait la population américaine à moins de 1 millirem supplémentaire et serait même de l'ordre du microrem selon Pat McClure du LANL. Sur le plan technique, le générateur Kilopower exploite un réacteur Stirling qui compresse et détend un fluide qui dans ce cas ci est du métal liquide qu'il convertit en chaleur à partir de la fission d'uranium. La puissance ainsi développée alimente un générateur qui produit de l'électricité. Un tel réacteur est au moins 4 fois plus efficace que les MMRTG traditionnels. A moyen terme, le Kilopower pourrait équiper les futures sondes spatiales explorant les mondes glacés et lointains d'Uranus et Neptune ainsi que l'éventuel drône explorant Titan et bien entendant les futurs missions d'exploration lunaires et martiennes. On y reviendra en temps utile. La batterie nucléaire thermoradiative (TRC) L'un des projets conceptuels dit révolutionnaire sur lequel travaillent les ingénieurs de la NASA est la batterie nucléaire thermoradiative ou TRC (Thermoradiative Cell) destinée à alimenter en énergie les sondes spatiales et autres satellites.
La TRC fonctionne grâce à un radioisotope et est fondée sur la technique de l'épitaxie en phase vapeur aux organométalliques ou MOVPE (Metalorganic vapour-phase epitaxy). Grâce à cette technique, des éléments chimiques organométalliques et des hydrures en phase gazeuse sont déposés sur un substrat monocristallin. La décroissance du radioisotope produit de la chaleur qui chauffe la TRC. Elle peut alors produire de la lumière qui est captée par une cellule photovoltaïque qui, à son tour, génère de l'électricité. Notons que la technologie MOVPE est déjà exploitée dans l'industrie, notamment pour fabriquer des LED et des semi-conducteurs. L'avantage de la TRC sur le générateur conventionnel MMRTG est de fournir une puissance spécifique dix fois plus importante (30 W/kg contre 3 W/kg) et occupe un volume mille fois plus petit (0.2 litre contre 212 litres). A volume égal, on peut donc embarquer 1000 fois plus de batteries et disposer de 10 fois plus de puissance qu'avec un MMRTG. Mais on peut aussi fabriquer des sondes spatiales et des satellites miniaturisés comme les Cubesats qui ne pèsent que 1.3 kg pour 10 cm de côté (forme basique 1U) et sont modulaires. Cette technologie présente un immense potentiel car elle intéresse les secteurs civils (les académies et les agences spatiales), militaires et les opérateurs commerciaux. La NASA envisage d'utiliser cette technologie pour de petites missions spatiales vers les planètes extérieures ainsi que des opérations dans l'ombre permanente telles que les cratères lunaires des régions polaires. Elle a déjà testé divers matériaux MOVPE dont le InAsSb et le InPSb. En 2023, la NASA proposa d'utiliser des Cubbeats alimentés par des TRC pour une mission économique vers la planète Uranus située à 3 milliards de kilomètres du Soleil vers 2049. Mais le type de sonde spatiale et son prix (qui atteindrait 4.2 milliards de dollars pour un Orbiter lourd) n'ont pas encore été fixés. A
voir : MOVPE
- Chemical Vapor Deposition: Basic Function - Nanotechnology Le moteur nucléaire thermique (NTP) Le 12 avril 2021, le DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), la branche de recherche et développement du Pentagone annonça qu'il souhaitait lancer la construction du premier système de propulsion nucléaire thermique (NTP) pour engins spatiaux. Le DARPA choisit les entreprises General Atomics, Blue Origin et Lockheed Martin pour construire le propulseur DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations ou fusée de démonstration pour les opérations agiles cislunaires). L'objectif est d'envoyer DRACO en orbite terrestre basse (LEO) en 2025. DRACO utilise la fission nucléaire au lieu du carburant de fusée traditionnel, ce qui en fait un système de propulsion spatiale plus rapide et plus efficace. La NASA considère le NTP comme le système qui pourrait emmener demain des astronautes vers la Lune, Mars et au-delà. En 2019, le Congrès lui accorda une enveloppe de 125 millions de dollars pour analyser sa faisabilité. Le NTP est un concept qui existe depuis longtemps. Les scientifiques ont proposé le NTP pour la première fois dans les années 1940. Dans les années 1960, la NASA et la Commission de l'énergie atomique avaient étudié l'utilisation de fusées NTP dans le cadre du programme NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), mais ont annulé le projet avant que les ingénieurs ne puissent construire une fusée fonctionnelle. Le problème était lié aux risques d''utiliser un réacteur utilisant de l'uranium hautement enrichi ou du plutonium en orbite, les fusées chimiques étaient déjà assez performantes pour démarrer un programme spatial. Les réticences face à l'énergie nucléaire étaient liées au risque d'explosion de l'engin spatial au décollage et la dispersion de matière hautement radioactive dans l'atmosphère et ses retombées sur les États-Unis ou pire, dans un autre pays.
Aujourd'hui, les conceptions de tels moteurs reposent sur de l'uranium sécurisé et faiblement enrichi, qui ne pourrait pas être converti en arme s'il tombe entre de mauvaises mains. L'uranium ne serait pas non plus radioactif pendant le décollage, le réacteur ne s'allumant que lorsque DRACO serait en sécurité dans l'espace. DRACO fonctionnera également si loin de la Terre que même s'il déviait de son orbite, il faudra tellement de temps pour qu'il retombe que la radioactivité sera éteinte. Selon le DoE, "Les systèmes NTP fonctionnent en pompant un propulseur liquide, très probablement de l'hydrogène, à travers le cœur d'un réacteur. Les atomes d'uranium se séparent à l'intérieur du noyau et libèrent de la chaleur par fission. Ce processus physique chauffe le propulseur et le convertit en gaz qui est expansé à travers une buse pour produire une poussée." Le NTP est deux fois plus efficace que les fusées chimiques du fait que les gaz plus légers - les conceptions de NTP utilisent généralement de l'hydrogène - sont plus faciles à accélérer. Les fusées chimiques produisent de la vapeur d'eau plus lourde en tant que sous-produit des déchets. Le Pentagone fait également pression pour que les engins spatiaux puissent être repositionnés dans l'espace plus rapidement que ceux équipés de fusées chimiques. Comme son nom l'indique, le DARPA envisage DRACO fonctionnant principalement dans l'espace cislunaire, c'est-à-dire dans la zone de l'espace comprise entre la Terre et la Lune. Le rapport poussée/poids plus élevé du NTP permettra aux vaisseaux spatiaux de se déplacer plus rapidement sur de plus grandes distances. La NASA estime que le NTP pourrait réduire de moitié la durée totale des missions sur Mars. Bonne nouvelle, si DRACO réussit, sa technologie pourrait être utilisée par le secteur spatial civil. DRACO rejoindrait alors une longue lignée d'invention duDARPA dont Internet et les vaccins à ARN, qui ont vu le jour sous forme de projets de recherche et de développement militaires avant d'être offerts au monde entier. En 2021, la NASA annonça qu'en collaboration avec le Laboratoire National de l'Idaho (INL) du DOE, elle avait sélectionné trois concepts de réacteurs pour un système de propulsion nucléaire thermique. Il utiliserait du combustible à base d'uranium faiblement enrichi à dosage élevé. Les contrats d'un an qui seront attribués par l'intermédiaire de l'INL, sont évalués chacun à environ 5 millions de dollars. Le but est de développer un moteur-fusée capable d'explorer l'espace lointain, y compris d'assurer une mission vers Mars.
Le Q-drive Dans un article publié dans le webzine "Frontiers in Space Technologies" en 2022, Andrew J. Higgins et Mathias N. Larrouturou du Département de génie mécanique de l'Université McGill au Canada ainsi que Jeffrey K. Greason de la Fondation Tau Zero ont déclaré qu'il serait possible de fabriquer un moteur qui pourrait propulser un sonde spatiale à 20% de la vitesse de la lumière soit 60000 km/s en exploitant l'énergie extraite du milieu interstellaire.
Le concept est une voile interstellaire à aimant à plasma dérivé du projet Icarus proposé en 2009 par des membres de la British Interplanetary Society (BIS) et de la Fondation Tau Zero (cf. Centauri Dreams et Space.com). Selon les auteurs, le vol se déroule en plusieurs phases. D'abord, une voile interstellaire propulse la sonde jusqu'à 0.04c (soit 12000 km/s) jusqu'à l'épuisement de son premier étage de propulsion à fusion. Cet étage pèse 50 tonnes et contient principalement de la glace d'eau propulsive stockée dans un bouclier conique placé devant la sonde qui sert également de bouclier contre les particules. La sonde forme une structure de plusieurs centaines de kilomètres de long étirée derrière le bouclier. Ensuite, les voiles de l'aimant à plasma placées à chaque extrémité s'enclenchent en utilisant uniquement la puissance d'un petit générateur nucléaire. Les "magsails" ou voiles magnétiques capturent et extraient l'énergie en continu du milieu interstellaire. Ce mode de propulsion alimente l'ionisation et le système d'éjection des particules du propulseur. De la sorte, la sonde peut accélérer de manière constante pour atteidre 0.2c après avoir épuisé 48 tonnes de combustible. En utilisant ce type de moteur, la sonde spatiale peut atteindre le système planétaire de Proxima du Centauri en moins de 20 ans. Rappelons que ce ne serait pas la première sonde spatiale à atteindre ce système stellaire, les microvoiles du projet "Breakthrough" visant la même destination grâce à un puissant faisceau lumineux. La différence est que cette sonde équipée d'un Q-drive serait la première ayant une charge utile scientifique pour effectuer des mesures in situ. Pour plus d'informations, consultez le site Centauri Dreams qui a consacré une longue page à ce mode de propulsion. Le moteur à antimatière Pour atteindre une vitesse voisine de celle de la lumière, le vaisseau doit disposer d’une poussée spécifique aussi grande que possible, de l’ordre de 3x107 secondes. La propulsion à l'antimatière permet de l’obtenir en annihilant des micrograins de matière et d’antimatière. Selon le physicien Robert L. Forward[12] qui travailla sur cette idée, près de la moitié de l’énergie d’annihilation pourrait être transférée à la propulsion. Quand on se rappelle l'énergie que peut dégager une bombe atomique par simple fission ou fusion nucléaire, on peut imaginer la puissance de ce type de propulsion. Ce type de propulsion produit 1000 fois plus d’énergie que la fission nucléaire et 100 fois plus que les réacteurs à fusion. 10 milligrammes d’antiprotons pourraient ainsi remplacer l’énergie produite par 200 tonnes de pergols liquides (1.8 x1012 J). Selon le physicien Ryan Weed de la société Positron Dynamics, 20 grains de sable et 20 grains d'anti-sable pourraient produire une puissance équivalente à 1800 tonnes de pergols pour fusée. La réaction produit des rayons gamma qui se déplacent à la vitesse de la lumière. Correctement canalisés par des conduits à supraconducteurs, le vaisseau pourrait ainsi naviguer à travers l’univers à une vitesse voisine de celle de la lumière. Dans son film "Avatar" (2009), James Cameron imagina que le vaisseau interstellaire "Venture Star" (nom emprunté à un concept de navette spatiale inventé par Lockheed Martin, le X-33 abandonné en 2001), de 1.5 km de longueur dont le moteur est placé à l'avant est propulsé par de l'hydrogène et de l'antihydrogène. Animé d'une vitesse de croisière de 210000 km/s, il peut atteindre Alpha du Centaure où vivent les Na'vi (sur la lune Pandora de la planète Polyphème) en seulement 1 an (contre 30000 ans pour la sonde spatiale Voyager 1). Lire à ce sujet la critique de la Cité de l'Espace. Soulignons que son mode de propulsion empêche un tel vaisseau d'atterrir sur la Terre. Le transfert du personnel se fait donc uniquement au moyen de navettes transatmosphériques.
Mais il y a quelques problèmes à résoudre avant de s'envoler pour les étoiles. Aujourd’hui la production d’antimatière, des antiprotons par exemple, coûte énormément d’argent - plusieurs milliards de dollars pour un milligramme -, elle exige un système de confinement très complexe et beaucoup d’énergie. De plus, il faut trouver un méthode pour refroidir et stabiliser l'antimatière (les positrons). Un tel moteur est également excessivement lourd. Enfin, il y a le risque de collision avec des particules - à une vitesse relativiste, même dans le vide de l'espace une collision avec un grain de poussière peut détruire le vaisseau - et le risque de radiation qu'il faut impérativement maîtriser. En résumé, nous sommes encore loin du temps où nous pourrons réserver notre ticket dans une boutique en ligne de la NASA, de Virgin Galactic ou SpaceX pour un vol à bord d'une fusée à antimatière vers Proxima du Centaure ou la nébuleuse de la Lagune ! Le dilithium cher à Scotty et les aventures de "Star Trek" resteront encore de la science-fiction pour longtemps. Prochain chapitre
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