La société Ad Astra Rocket, une société d'ingénierie de vols spatiaux au Costa Rica, se consacre au développement de la technologie avancée de propulsion des fusées à plasma. Société John B. Carnett/Bonnier Cinq. Quatre. Trois. Deux. Une. Être mis à feu! Dans le ciel tire une fusée, se déplaçant rapidement au-delà de notre atmosphère et dans l'espace extra-atmosphérique. Au cours du dernier demi-siècle, les gens sont passés d'un simple regard émerveillé devant les étoiles scintillant dans le ciel nocturne à une vie réelle pendant des mois à la fois sur la Station spatiale internationale parmi les corps célestes. Et tandis que les humains ont mis le pied sur la lune, l'atterrissage n'importe où plus loin a été réservé uniquement aux engins sans pilote et aux robots.
Un endroit que les gens sont très intéressés à visiter est Mars. Mis à part les défis réels d'atterrir et de passer du temps dans un endroit aussi peu accueillant que la planète rouge, il y a le grand obstacle d'y arriver réellement. En moyenne, Mars est à environ 140 millions de miles (225,3 millions de kilomètres) de la Terre. Même à son point le plus proche, il est encore à environ 35 millions de miles (56,3 millions de kilomètres) de notre planète [source :St. Fleur]. L'utilisation des fusées chimiques conventionnelles qui nous transportent généralement dans l'espace prendrait au moins sept mois pour y arriver – pas exactement un court laps de temps [source :Verhovek]. Y a-t-il un moyen de le faire plus rapidement? Entrez dans la fusée à plasma !
Au lieu d'utiliser du carburant de fusée conventionnel, les scientifiques et les ingénieurs se sont tournés vers la promesse des fusées à plasma pour nous propulser vers les confins de l'espace. Dans ce type de fusée, une combinaison de champs électriques et magnétiques est utilisée pour décomposer les atomes et les molécules d'un gaz propulseur en un ensemble de particules qui ont soit une charge positive (ions) soit une charge négative (électrons). En d'autres termes, le gaz propulseur devient un plasma.
Dans de nombreuses configurations de ce moteur, un champ électrique est ensuite appliqué pour éjecter les ions à l'arrière du moteur, qui fournissent une poussée au vaisseau spatial dans la direction opposée [source :Zyga]. Avec cette technologie optimisée, un vaisseau spatial pourrait théoriquement atteindre une vitesse 123, 000 mph (198, 000 km/h) [source :Verhovek]. A cette vitesse, vous pourriez aller de New York à Los Angeles en une minute !
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Un homme regarde le plus grand téléviseur LCD HD du monde lors d'une convention à Berlin. Les téléviseurs plasma sont maintenant très courants. instantané-photographie/ullstein bild via Getty Images Le monde est généralement décomposé en trois états de la matière :solide, liquide et gazeux. Quand la matière est froide, c'est du solide. Comme il chauffe, il se transforme en liquide. Lorsque plus de chaleur est appliquée, vous obtenez un gaz. L'histoire ne s'arrête pas là, toutefois. Lorsque vous ajoutez encore plus de chaleur, vous obtenez — du plasma ! L'énergie et la chaleur supplémentaires séparent les atomes et molécules neutres du gaz en ions généralement chargés positivement et en électrons chargés négativement. Les particules chargées confèrent au plasma des propriétés conductrices intéressantes, la technologie plasma est donc utilisée pour fabriquer toutes sortes d'articles que nous utilisons tous les jours. Puces informatiques, enseignes au néon, même le revêtement métallique à l'intérieur d'un sac de croustilles est créé à l'aide de la technologie plasma. Et bien sûr, il y a la télévision plasma qui utilise le plasma pour libérer des photons lumineux, vous donnant un affichage couleur de pixels sur votre écran. En réalité, 99% de la matière ordinaire dans l'univers est à l'état de plasma [source :Charles].
La plupart des étoiles, y compris notre soleil, sont faits de plasma. Si c'est si répandu dans l'univers, pourquoi ne le voyons-nous pas beaucoup sur Terre ? Bien, réellement, Nous faisons. Les aurores boréales et méridionales sont créées par les vents solaires. Et que sont les vents solaires ? Plasma! D'ACCORD, tout le monde n'a pas la chance de voir ces jeux de lumière spectaculaires, mais vous pouvez voir le plasma en action lors d'un autre spectacle de lumière impressionnant fourni par la nature :un orage. Comme l'électricité de la foudre circule dans l'air, il fournit tellement d'énergie aux molécules sur son chemin que les gaz de la traînée de foudre sont en fait transformés en plasma.
La technologie plasma a également été utilisée dans les fusées pour nous aider à nous déplacer dans l'espace, et il est le plus prometteur pour amener les humains dans des endroits dont nous ne pouvions que rêver auparavant. Ces fusées doivent être dans le vide de l'espace pour fonctionner car la densité de l'air près de la surface de la Terre ralentit l'accélération des ions dans le plasma nécessaires pour créer une poussée, nous ne pouvons donc pas les utiliser pour décoller de la terre. Cependant, certains de ces moteurs à plasma fonctionnent dans l'espace depuis 1971. La NASA les utilise généralement pour l'entretien de la Station spatiale internationale et des satellites, ainsi que la principale source de propulsion dans l'espace lointain [source :NASA].
L'astronaute et physicien costaricien Franklin Chang Diaz explique l'évolution de son projet de moteur à plasma. MAYELA LOPEZ/AFP/Getty Images Toutes les fusées à plasma fonctionnent sur le même type de principe :champs électriques et champs magnétiques fonctionnent côte à côte pour transformer d'abord un gaz - typiquement du xénon ou du krypton - en plasma puis accélérer les ions du plasma hors du moteur à plus de 45, 000 mph (72, 400 km/h), créant une poussée dans la direction du déplacement souhaité [source :Science Alert]. Il existe de nombreuses façons d'appliquer cette formule pour créer une fusée à plasma fonctionnelle, mais il existe trois types qui se distinguent comme les meilleurs et les plus prometteurs [source :Walker].
Propulseurs à effet Hall sont l'un des deux types de moteurs à plasma actuellement utilisés régulièrement dans l'espace. Dans cet appareil, des champs électriques et magnétiques s'établissent perpendiculairement dans la chambre. Lorsque l'électricité est envoyée à travers ces champs de duel, les électrons commencent à tourner en rond ultra-rapidement. Au fur et à mesure que le gaz propulseur est injecté dans l'appareil, les électrons à grande vitesse font tomber des électrons des atomes dans le gaz, créant un plasma constitué des électrons libres (portant des charges négatives) et des atomes maintenant chargés positivement (ions) du propulseur. Ces ions sont projetés à l'arrière du moteur et créent la poussée nécessaire pour propulser la fusée vers l'avant. Alors que les deux processus d'ionisation et d'accélération des ions se déroulent par étapes, ils se produisent dans le même espace dans ce moteur. Les propulseurs à effet Hall peuvent générer une quantité importante de poussée pour la puissance d'entrée utilisée, afin qu'ils puissent aller incroyablement vite. Mais il y a des limites à leur efficacité énergétique.
Lorsque la NASA recherche un moteur plus économe en carburant, il se tourne plutôt vers moteurs ioniques en grille . Dans cet appareil couramment utilisé, des champs électriques et magnétiques sont situés le long des parois de la chambre du moteur. Lorsque l'alimentation électrique est appliquée, des électrons de haute énergie oscillent dans et le long des champs magnétiques près des parois. De la même manière que le propulseur Hall, les électrons sont capables d'ioniser le gaz propulseur en un plasma. Afin de passer à l'étape suivante de création de poussée, des grilles électriques sont placées au fond de la chambre afin d'accélérer la sortie des ions. Dans ce moteur, l'ionisation et l'accélération se produisent dans deux espaces différents. Alors que le moteur ionique à grille est plus économe en carburant qu'un propulseur à effet Hall, l'inconvénient est qu'il ne peut pas générer autant de poussée par unité de surface. Selon le type de travail qu'ils cherchent à faire, les scientifiques et les ingénieurs aérospatiaux choisissent le moteur le mieux adapté à la mission.
Finalement, il existe le troisième type de moteur :VASIMR, court pour Fusée à magnétoplasme à impulsion spécifique variable . Cette fusée, développé par l'ancien astronaute Franklin Chang Diaz, n'existe qu'en phase de test maintenant. Dans cet appareil, les ions sont créés via des ondes radio générées par une antenne pour former le plasma. Une autre antenne plus en aval ajoute de l'énergie qui fait tourner très rapidement les ions en cercle. Un champ magnétique fournit une directionnalité de sorte que les ions soient libérés hors du moteur en ligne droite, délivrant ainsi la poussée. Si ça marche, cette fusée aura une énorme plage de gaz, quelque chose que le propulseur Hall et le moteur à grille ionique ne peuvent pas réaliser aussi facilement.
Les fusées conventionnelles sont géniales et nous ont menés loin, mais ils ont leurs limites. Ces fusées fonctionnent également sur la base de la poussée :Le moteur brûle du carburant, créant un gaz à haute pression qui est expulsé de la tuyère de la fusée à grande vitesse et la fusée est propulsée dans la direction opposée [source :Brain]. Carburant de fusée, cependant est très lourd et super inefficace. Il ne peut pas fournir assez de puissance pour se déplacer rapidement. Le carburant de la fusée est brûlé dans l'effort pour décoller de la terre et se mettre en orbite, et puis le vaisseau spatial est essentiellement forcé de se contenter de côtoyer [source :Verhovek].
Une fusée à plasma, d'autre part, consomme beaucoup moins de carburant que ces moteurs conventionnels – 100 millions de fois moins de carburant, en fait [source :Science Alert]. Il est si économe en carburant que vous pouvez passer de l'orbite terrestre à l'orbite lunaire avec à peine 30 gallons (113 litres) de gaz [source :Charles]. Les fusées à plasma accélèrent progressivement et peuvent atteindre une vitesse maximale de 34 miles (55 kilomètres) par seconde sur 23 jours, qui est quatre fois plus rapide que n'importe quelle fusée chimique [source :Verhovek]. Moins de temps passé à voyager signifie moins de risque que le navire connaisse des pannes mécaniques et que les astronautes soient exposés au rayonnement solaire, perte osseuse et atrophie musculaire. Avec VASIMR, la propulsion sera aussi théoriquement disponible tout au long du voyage, ce qui signifie que des changements de direction pourraient être possibles à tout moment.
Pour être réaliste, À ce point, voyager vers Mars en peu de temps est encore loin. Atteindre ces types de distances extrêmes nécessitera beaucoup de puissance. La plupart des propulseurs Hall et des moteurs ioniques à grille fonctionnent avec une puissance d'environ 5 kilowatts. Pour atteindre les niveaux de puissance dont vous auriez besoin pour atteindre Mars dans environ 40 jours, vous auriez besoin d'au moins 200 fois ce montant [source :Walker]. La source d'énergie la plus viable pour générer cette quantité d'énergie dans l'espace est la source d'énergie nucléaire intégrée au moteur. En ce moment, cependant, mettre une source d'énergie nucléaire sur une fusée que nous faisons exploser de la terre dans l'espace pose trop de risques d'exposition aux radiations en cas d'accident.
La source d'énergie pour atteindre ces distances reste donc un défi majeur. Sans parler de l'incertitude quant à la façon dont le corps humain réagirait en voyageant à 34 miles (54 kilomètres) par seconde (par opposition aux 4,7 miles ou 7,5 kilomètres par seconde que les astronautes parcourent pour se rendre en orbite terrestre inférieure dans des fusées conventionnelles) [sources :Verhovek , Groupe de raisonnement qualitatif de l'Université Northwestern]. Mais en théorie, donné assez de puissance, ces moteurs ont la capacité d'atteindre Mars en 40 jours environ, un exploit que nous n'aurions pas osé rêver possible il y a à peine 50 ans.
Publié à l'origine :29 sept. 2016
J'ai d'abord lu "Le Martien, " et maintenant j'ai écrit cet article. Je n'ai jamais été aussi enthousiaste à propos de Mars ! Je ne suis pas sûr d'avoir envie d'y aller moi-même, mais plus de pouvoir aux astronautes qui pourraient un jour marcher sur la planète rouge !
