La Defence Advanced Research Projects Agency (Darpa) des États-Unis a récemment mandaté trois entreprises privées, Origine Bleue, Lockheed Martin et General Atomics, développer des fusées thermiques à fission nucléaire pour une utilisation en orbite lunaire.

Un tel développement, si volé, pourrait inaugurer une nouvelle ère de vols spatiaux. Cela dit, ce n'est que l'une des nombreuses voies passionnantes de la propulsion des fusées. En voici d'autres.

Fusées chimiques

Le moyen standard de propulsion pour les engins spatiaux utilise des fusées chimiques. Il en existe deux types principaux :à combustible solide (comme les propulseurs à poudre de la navette spatiale), et à carburant liquide (comme le Saturn V).

Dans les deux cas, une réaction chimique est employée pour produire un très chaud, gaz sous haute pression à l'intérieur d'une chambre de combustion. Le gicleur du moteur fournit la seule sortie pour ce gaz qui par conséquent se détend hors de celui-ci, fournir une poussée.

La réaction chimique nécessite un carburant, tels que l'hydrogène liquide ou l'aluminium en poudre, et un oxydant (un agent qui produit des réactions chimiques) tel que l'oxygène. Il existe de nombreuses autres variables qui déterminent en fin de compte également l'efficacité d'un moteur de fusée, et les scientifiques et les ingénieurs cherchent toujours à obtenir plus de poussée et d'efficacité énergétique d'une conception donnée.

Récemment, La société privée SpaceX a effectué des vols d'essai de son prototype de lanceur Starship. Ce véhicule utilise un "moteur à combustion étagée à plein débit (FFSC), " le Raptor, qui brûle du méthane comme combustible et de l'oxygène comme comburant. De telles conceptions ont été testées par les Russes dans les années 1960 et le gouvernement américain dans les années 2000, mais aucun n'a encore volé dans l'espace. Les moteurs sont beaucoup plus économes en carburant et peuvent générer un rapport poussée/poids beaucoup plus élevé que les conceptions traditionnelles.

Fusées thermiques à fission

Le noyau d'un atome est constitué de particules subatomiques appelées protons et neutrons. Ceux-ci déterminent la masse d'un élément - plus il y a de protons et de neutrons, plus il est lourd. Certains noyaux atomiques sont instables et peuvent être divisés en plusieurs noyaux plus petits lorsqu'ils sont bombardés de neutrons. C'est le processus de la fission nucléaire, et il peut libérer une énorme quantité d'énergie. Au fur et à mesure que les noyaux se désintègrent, ils libèrent également plus de neutrons qui vont fissurer plus d'atomes, produisant une réaction en chaîne.

Dans une fusée thermique à fission nucléaire, un gaz propulseur, comme l'hydrogène, est chauffé par fission nucléaire à des températures élevées, créant un gaz à haute pression dans la chambre du réacteur. Comme avec les fusées chimiques, cela ne peut s'échapper que par la tuyère de la fusée, produisant à nouveau une poussée. Les fusées à fission nucléaire ne sont pas envisagées pour produire le type de poussée nécessaire pour soulever de grandes charges utiles de la surface de la Terre vers l'espace. Une fois dans l'espace cependant, elles sont beaucoup plus efficaces que les fusées chimiques - pour une masse donnée de propergol, ils peuvent accélérer un vaisseau spatial à des vitesses beaucoup plus élevées.

Les fusées à fission nucléaire n'ont jamais volé dans l'espace, mais ils ont été testés sur le terrain. Ils devraient pouvoir réduire les temps de vol entre la Terre et Mars d'environ sept mois à environ trois mois pour les futures missions en équipage. Inconvénients évidents, cependant, inclure la production de déchets radioactifs, et la possibilité d'un échec du lancement qui pourrait entraîner la dispersion de matières radioactives sur une vaste zone.

Un défi majeur de l'ingénierie consiste à miniaturiser suffisamment un réacteur pour qu'il s'adapte à un engin spatial. Il existe déjà une industrie en plein essor dans la production de réacteurs à fission compacts, y compris le développement d'un réacteur à fission plus petit qu'un humain adulte.

Propulsion électrique

Un incontournable de la science-fiction, les moteurs ioniques réels génèrent des particules chargées (ionisation), les accélérer à l'aide de champs électriques, puis les tirer à partir d'un propulseur. Le propulseur est un gaz tel que le xénon, un élément assez lourd qui peut être facilement chargé électriquement.

Alors que les atomes de xénon chargés accélèrent hors du propulseur, ils transfèrent une très petite quantité de quantité de mouvement (le produit de la masse et de la vitesse) au vaisseau spatial, fournissant une poussée douce. Bien que lent, Les moteurs ioniques sont parmi les plus économes en carburant de toutes les méthodes de propulsion d'engins spatiaux, pourrait donc nous amener plus loin. Les entraînements ioniques sont couramment utilisés pour le contrôle d'attitude (changer la direction dans laquelle un vaisseau spatial fait face) et ont été envisagés pour désorbiter d'anciens satellites.

Les moteurs ioniques actuels sont alimentés par des cellules solaires, en les rendant efficacement alimentés à l'énergie solaire, et nécessitant très peu de propulseur. Ils ont été utilisés sur la mission SMART-1 d'Esa vers la Lune et la mission Bepi-Colombo en route vers Mercure. La Nasa développe actuellement un système de propulsion électrique à haute puissance pour la passerelle lunaire, un avant-poste qui orbitera autour de la Lune.

Voiles solaires

Alors que la propulsion nécessite généralement un propulseur d'une certaine description, une méthode plus "verte" reposant uniquement sur la lumière du Soleil lui-même.

Les voiles reposent sur la propriété physique de conservation de la quantité de mouvement. Sur Terre, nous avons l'habitude de voir cet élan comme une pression dynamique des particules d'air soufflant dans une écoute lors de la navigation, propulser un navire vers l'avant. La lumière est composée de photons, qui n'ont pas de masse, mais ils ont un élan et peuvent le transférer sur une voile. Comme les énergies des photons individuels sont très faibles, une taille de voile extrêmement grande est nécessaire pour toute accélération appréciable.

Le gain de vitesse dépendra également de la distance à laquelle vous vous trouvez du Soleil. Sur Terre, la puissance reçue de la lumière du soleil est d'environ 1,3 kW par mètre carré. Si nous avions une voile de la taille d'un terrain de football, cela équivaudrait à 9,3 MW, fournissant une accélération très faible, même à un objet de faible masse.

Des voiles solaires ont été testées par le vaisseau spatial japonais IKAROS qui a survolé avec succès Vénus, et la Planetary Society Lightsail-2, qui est actuellement en orbite autour de la Terre.

Un moyen d'améliorer l'efficacité et de réduire la taille des voiles consiste à utiliser un laser pour propulser le vaisseau spatial vers l'avant. Les lasers produisent des faisceaux de photons très intenses qui peuvent être dirigés sur une voile pour fournir une accélération beaucoup plus élevée, mais nécessiterait d'être construit en orbite terrestre pour éviter la perte d'intensité dans l'atmosphère. Les lasers ont également été proposés comme moyen de désorbiter les débris spatiaux - la lumière du laser peut ralentir un morceau de débris orbital, qui tomberait alors hors d'orbite et se consumerait dans l'atmosphère.

Le développement des fusées à fission nucléaire peut exciter certains et inquiéter d'autres. Cependant, alors que les entreprises privées et les agences spatiales nationales s'engagent de plus en plus pour une présence humaine soutenue dans l'espace, ces moyens de propulsion alternatifs deviendront plus courants et auront le potentiel de révolutionner notre civilisation spatiale naissante.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.