Vaisseau spatial à propulsion nucléaire : pourquoi les rêves de fusées atomiques reviennent – ​​Physics World

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-caption="Aller au nucléaire La fusée américaine DRACO utilisera la chaleur d'un réacteur à fission pour se propulser dans l'espace. (Avec l'aimable autorisation de Lockheed Martin) »>

En 1914, HG Wells publia The World Set Gratuit, un roman basé sur l'idée que le radium pourrait un jour alimenter les vaisseaux spatiaux. Wells, qui connaissait les travaux de physiciens comme Ernest Rutherford, savait que le radium pouvait produire de la chaleur et envisageait de l'utiliser pour faire tourner une turbine. Le livre aurait pu être une œuvre de fiction, mais The World Set Gratuit avait correctement prévu le potentiel de ce que l’on pourrait appeler des « vaisseaux spatiaux atomiques ».

L’idée d’utiliser l’énergie nucléaire pour les voyages spatiaux a fait son chemin dans les années 1950, lorsque le public – ayant été témoin des horreurs d’Hiroshima et de Nagasaki – s’est progressivement convaincu de l’utilité de l’énergie nucléaire à des fins pacifiques. Grâce à des programmes comme America's Atomes pour la paix, les gens ont commencé à comprendre que l’énergie nucléaire pouvait être utilisée pour l’énergie et les transports. Mais l’application la plus radicale réside peut-être dans les vols spatiaux.

Parmi les plus ardents partisans des voyages spatiaux à propulsion nucléaire se trouvait l’éminent physicien mathématicien Freeman Dyson. En 1958, il prit un an sabbatique à l'Institute of Advanced Study de Princeton pour travailler chez General Atomics à San Diego sur un projet nommé Orion. L'idée originale de Ted Taylor – un physicien qui avait travaillé sur le projet de bombe atomique Manhattan à Las Alamos – Projet Orion visait à construire un vaisseau spatial de 4000 2600 tonnes qui utiliserait XNUMX XNUMX bombes nucléaires pour le propulser dans l’espace.

Larguer des bombes atomiques à l’arrière d’un vaisseau spatial semble insensé du point de vue environnemental, mais Dyson a calculé que « seulement » 0.1 à 1 Américain contracterait un cancer grâce à cette méthode. Le projet a même été soutenu par un expert en fusées Wernher von Braun, et une série de vols d'essais non nucléaires ont été effectués. Heureusement, le Traité d'interdiction partielle des essais nucléaires de 1963 a mis fin au projet Orion, et Dyson lui-même a ensuite retiré son soutien aux vaisseaux spatiaux atomiques après avoir reconnu tardivement leurs dangers environnementaux.

Malgré la fin du projet Orion, l’attrait de la propulsion nucléaire n’a jamais vraiment disparu (voir l’encadré « Voyages spatiaux nucléaires : un bref historique ») et connaît aujourd’hui une sorte de résurgence. Plutôt que d’utiliser des bombes atomiques, l’idée est de transférer l’énergie d’un réacteur à fission nucléaire vers un combustible propulseur, qui serait chauffé à environ 2500 XNUMX K et éjecté via une tuyère dans un processus appelé « propulsion thermique nucléaire » (NTP). . Alternativement, l'énergie de fission pourrait ioniser un gaz qui serait tiré depuis l'arrière du vaisseau spatial – ce qu'on appelle la « propulsion électrique nucléaire » (NEP).

Alors, les voyages spatiaux à propulsion nucléaire sont-ils une perspective réaliste et, si oui, quelle technologie l’emportera ?

Coup de pouce nucléaire

La plupart des fusées conventionnelles sont propulsées par des carburants chimiques ordinaires. Le Fusée Saturn V par exemple, ceux qui ont emmené des astronautes sur la Lune à la fin des années 1960 et au début des années 1970 utilisaient des carburants liquides, tandis que les propulseurs de fusée qui ont connu une panne si spectaculaire lors du lancement de la navette spatiale Challenger en 1986 contenait du combustible solide.

Plus récemment, Les fusées Falcon de Space X, par exemple, ont utilisé un mélange de kérosène et d’oxygène. Le problème est que tous ces propulseurs ont une « densité d’énergie » relativement faible (énergie stockée par unité de volume) et une faible « impulsion spécifique » (l’efficacité avec laquelle ils peuvent générer une poussée). Cela signifie que la poussée globale de la fusée – l'impulsion spécifique multipliée par le débit massique des gaz d'échappement et la gravité terrestre – est faible.

Les propulseurs chimiques ne peuvent donc vous mener que jusqu’à présent, la Lune étant la limite traditionnelle. Pour atteindre des planètes lointaines et d’autres destinations « de l’espace lointain », les vaisseaux spatiaux exploitent généralement l’attraction gravitationnelle de plusieurs planètes différentes. De tels voyages sont cependant détournés et prennent beaucoup de temps. La mission Juno de la NASA, par exemple, est nécessaire cinq années pour atteindre Jupiter, alors que le vaisseau Voyager a mis plus de 30 ans pour atteindre le bord du système solaire. De telles missions sont également limitées par des fenêtres de lancement étroites et peu fréquentes.

Un vaisseau spatial nucléaire utiliserait plutôt l’énergie de fission pour chauffer un combustible (figure 1) – très probablement de l’hydrogène liquide stocké cryogéniquement, qui a une faible masse moléculaire et une chaleur de combustion élevée. "La propulsion nucléaire, qu'elle soit électrique ou thermique, pourrait extraire plus d'énergie d'une masse donnée de carburant que ce qui est possible avec une propulsion basée sur la combustion", explique Thomas Dale, ancien directeur associé du Marshall Space Flight Center de la NASA, aujourd'hui à l'Université d'Alabama à Huntsville.

Thomas affirme que les systèmes de propulsion chimique les plus efficaces d'aujourd'hui peuvent atteindre un impulsion spécifique d'environ 465 secondes. Le NTP, en revanche, peut avoir une impulsion spécifique de près de 900 secondes en raison de la densité de puissance plus élevée des réactions nucléaires. Combiné à un rapport poussée/poids beaucoup plus élevé, le NTP pourrait envoyer une fusée sur Mars en seulement 500 jours, au lieu de 900.

"Le rapport poussée/poids est crucial car il détermine la capacité du vaisseau spatial à accélérer, ce qui est particulièrement critique pendant les phases clés de la mission, comme échapper à la gravité terrestre ou manœuvrer dans l'espace lointain", explique Mauro Augelli, responsable des systèmes de lancement à l'Agence spatiale britannique. "L'impulsion spécifique, en revanche, est une mesure de l'efficacité avec laquelle une fusée utilise son propulseur."

La propulsion nucléaire, qu'elle soit électrique ou thermique, pourrait extraire plus d'énergie d'une masse donnée de combustible que ce qui est possible avec une propulsion basée sur la combustion.

Dale Thomas, Université de l'Alabama à Huntsville

Essentiellement, pour une quantité donnée de propulseur, un vaisseau spatial à propulsion nucléaire pourrait se déplacer plus rapidement et maintenir sa poussée plus longtemps qu’une fusée chimique. Ce serait donc formidable pour les missions en équipage vers Mars : non seulement les astronautes auraient un voyage plus rapide, mais en conséquence, ils seraient exposés à moins de rayonnement cosmique. "De plus, des durées de mission plus courtes réduisent les défis logistiques et de survie, rendant l'exploration de l'espace lointain plus réalisable et plus sûre", ajoute Augelli.

Mais l’énergie nucléaire ne consiste pas seulement à réduire les temps de trajet. La NASA dispose également d'un programme dédié à son Centre de recherche Glenn à Cleveland, dans l'Ohio, pour utiliser la fission nucléaire – plutôt que l'énergie solaire ou les combustibles chimiques – pour propulser les engins spatiaux une fois qu'ils ont atteint leur destination. "L'énergie nucléaire offre des avantages uniques pour fonctionner dans des environnements extrêmes et dans des régions de l'espace où les systèmes solaires et chimiques sont soit inadéquats, soit impossibles comme sources d'énergie pour un fonctionnement prolongé", déclare le responsable du programme. Lindsay Kaldon.

De retour a l'action

En 2020, le gouvernement américain a remis les engins spatiaux nucléaires à l’ordre du jour en attribuer près de 100 millions de dollars à trois sociétés – General Atomics, Lockheed Martin et Blue Origin. Ils utiliseront l'argent pour travailler sur le Fusée de démonstration pour les opérations cislunaires agiles (DRACO), financé via le DARPA agence de recherche du ministère américain de la Défense. Dans la première phase, les sociétés viseront à montrer que le NTP peut être utilisé pour faire voler une fusée au-dessus d’une orbite terrestre basse, la DARPA visant des rapports poussée/poids comparables à ceux des systèmes de fusées chimiques existants.

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Tabitha Dodson, responsable du programme DARPA pour DRACO, pense que le lancement et le vol réussis d'un réacteur spatial nucléaire par le programme DRACO révolutionneraient le vol spatial. « Contrairement aux systèmes chimiques d'aujourd'hui, qui ont atteint une limite dans leur capacité d'évolution, les technologies nucléaires sont censées évoluer vers des systèmes tels que la fusion et au-delà », dit-elle. "Les vaisseaux spatiaux évolués pour être manœuvrés et propulsés par des réacteurs nucléaires permettront à l'humanité d'aller plus loin, avec de plus grandes chances de survie et de succès pour tout type de mission."

Dans le programme DRACO, General Atomics concevra le réacteur NTP et élaborera un plan pour un sous-système de propulsion, tandis que Blue Origin et Lockheed Martin planifieront le vaisseau spatial lui-même. Le réacteur à fission utiliserait un uranium faiblement enrichi à titre élevé (HALEU), qui peut être fabriqué à partir de combustible recyclé à partir de réacteurs nucléaires existants. Ne contenant que 20 % d’uranium enrichi, il est impropre à la fabrication d’armes nucléaires.

Le réacteur ne serait pas allumé (c'est-à-dire qu'il ne deviendrait pas critique) tant que l'engin n'aurait pas atteint une orbite « nucléaire sûre ». En d’autres termes, dans le cas improbable d’une situation d’urgence, toute contamination serait dissipée sans danger dans l’espace. Lockheed Martin s'est déjà associé à BWX Technologies de Lynchburg, en Virginie, pour développer le réacteur et produire le combustible HALEU. BWX dit qu'une fusée DRACO pourrait être lancée dès que 2027.

Moteurs de fusée aérobie : l’avenir du vol spatial

Ailleurs, chercheurs du laboratoire national de l'Idaho aux États-Unis aident la NASA à développer et à tester les matériaux nécessaires à une fusée nucléaire dans ses locaux. Test de réacteur transitoire (TREAT) près d’Idaho Falls. Ils ont déjà effectué un exercice pratique l'année dernière pour valider les modèles informatiques et tester un nouveau capteur et une capsule expérimentale. À long terme, l’objectif est d’identifier quels matériaux, structures composites et composés d’uranium fonctionnent le mieux dans les conditions extrêmement chaudes d’un réacteur NTP.

La chaleur du réacteur chaufferait le combustible hydrogène, ce qui entraîne le plus grand changement de vitesse – ce que les scientifiques des fusées appellent Δ.v – pour une masse donnée. L’inconvénient de l’hydrogène est qu’il a une faible densité et que la fusée aurait besoin de grands réservoirs. D'autres propulseurs, comme l'ammoniac, ont un Δ inférieurv par kilogramme de propulseur, mais sont beaucoup plus denses. À Huntsville, Thomas a montré que l'ammoniac serait le carburant idéal pour amener les astronomes sur Mars depuis le laboratoire de la NASA. Porte lunaire – une station spatiale qui orbiterait autour de la Lune.

Ayant publié un examen de la technologie NTP pour l'Institut américain de l'aéronautique et de l'astronautique en 2020, Thomas a conclu que les systèmes NTP réguliers, qui offrent beaucoup de poussée pour des combustions courtes d'environ 50 minutes, seront idéaux pour les survols et les missions de rendez-vous. Mais il existe aussi des systèmes « bimodaux », qui combinent NTP et NEP (voir encadré « Les enjeux de la propulsion électronucléaire »). Le premier donne des poussées rapides de poussée élevée tandis que le second produit une faible poussée pendant de longues périodes – parfait pour les longues missions aller-retour.

Kate Haggerty Kelly, directeur de l'espace et de l'ingénierie chez BWX Technologies, affirme que la propulsion nucléaire thermique globale peut être deux à cinq fois plus efficace que les systèmes de propulsion chimique tout en offrant une poussée élevée. "[En revanche], les systèmes de propulsion nucléaire-électrique peuvent fournir des rendements plus élevés mais une poussée plus faible, et l'énergie générée par la fission nucléaire peut être convertie en électricité pour alimenter les sous-systèmes du vaisseau spatial."

Alors, NTP ou NEP seront-ils meilleurs pour les opérations dans l’espace lointain ? Selon Thomas, cela dépendra du type de mission. « Pour les missions d'une certaine classe – comme les engins spatiaux scientifiques dépassant une certaine masse – ou les missions avec équipage, ou pour certaines destinations, le NTP sera le meilleur choix, tandis que pour d'autres missions, le NEP sera le meilleur. Comme pour un voyage en voiture, cela dépend de la distance, de la quantité de bagages que vous transportez, des exigences de votre emploi du temps, etc.

L'avenir du nucléaire

La NASA envisage déjà plusieurs missions spatiales à propulsion nucléaire. Selon un rapport publié en juin 2021, ceux-ci pourraient inclure des engins qui orbiteront autour de diverses lunes d'Uranus et de Jupiter, et d'autres qui orbiteront et atterriront sur la lune Triton de Neptune. Le rapport envisage également une fusée à propulsion nucléaire entrant sur une orbite polaire autour du Soleil et peut-être même une mission dans l'espace interstellaire.

En dernière analyse, un certain type de propulsion nucléaire – seule ou combinée à un autre type de propulsion – constituera une partie importante des futurs efforts spatiaux de l'humanité. Alors que la NASA, l’Agence spatiale britannique et l’Agence spatiale européenne envisagent toutes des vols spatiaux à propulsion nucléaire, je parie que les premières missions avec équipage vers Mars utiliseront, d’ici les années 2030, une certaine forme de cette technologie. Le rêve de Freeman Dyson pourrait, j’en suis sûr, bientôt voir le jour.

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• La source: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/