Le système solaire est un très grand endroit, et il faut une éternité pour voyager d'un monde à l'autre avec des fusées chimiques traditionnelles. Mais une technique développée dans les années 1960 pourrait fournir un moyen de raccourcir considérablement nos temps de voyage :les fusées nucléaires.

Bien sûr, lancer une fusée propulsée par des matières radioactives comporte ses propres risques, également. Doit-on tenter ?

Disons que vous vouliez visiter Mars à l'aide d'une fusée chimique. Vous décolleriez de la Terre et entreriez en orbite terrestre basse. Puis, au bon moment, tu tirerais ta fusée, lever votre orbite du soleil. La nouvelle trajectoire elliptique que vous suivez croise Mars après huit mois de vol.

C'est ce qu'on appelle le transfert de Hohmann, et c'est le moyen le plus efficace que nous connaissons pour voyager dans l'espace en utilisant le moins de propulseur et la plus grande quantité de charge utile. Le problème bien sûr, c'est le temps qu'il faut. Tout au long du voyage, les astronautes consommeront de la nourriture, l'eau, air, et être exposé au rayonnement à long terme de l'espace lointain. Ensuite, une mission de retour double le besoin de ressources et double la charge de rayonnement.

Nous devons aller plus vite.

Il s'avère que la NASA réfléchit à ce qui vient après les fusées chimiques depuis près de 50 ans :les fusées nucléaires thermiques. Ils accélèrent définitivement le voyage, mais ils ne sont pas sans risques, c'est pourquoi vous ne les avez pas vus. Mais peut-être que leur temps est ici.

En 1961, La NASA et la Commission de l'énergie atomique ont travaillé ensemble sur l'idée de la propulsion nucléaire thermique, ou NTP. Cela a été lancé par Werner von Braun, qui espéraient que des missions humaines voleraient vers Mars dans les années 1980 sur les ailes de fusées nucléaires.

Bien, cela ne s'est pas produit. Mais ils ont effectué des tests réussis de propulsion thermique nucléaire et ont démontré que cela fonctionnait.

Une fusée chimique fonctionne en enflammant une sorte de produit chimique inflammable, puis en forçant les gaz d'échappement à sortir d'une buse. Grâce à la bonne vieille troisième loi de Newton - pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée - la fusée reçoit une poussée dans la direction opposée des gaz expulsés.

Une fusée nucléaire fonctionne de la même manière. Une boule de combustible à l'uranium de la taille d'une bille subit une fission, dégageant une énorme quantité de chaleur. Cela chauffe l'hydrogène à près de 2, 500 degrés Celsius, qui est ensuite expulsé par l'arrière de la fusée à une vitesse extrêmement élevée, donnant à la fusée deux à trois fois l'efficacité de propulsion d'une fusée chimique.

Vous vous souvenez des huit mois que j'ai mentionnés pour qu'une fusée chimique se rende sur Mars ? Une fusée thermique nucléaire pourrait réduire de moitié le temps de transit, peut-être même à 100 jours, ce qui signifie moins de ressources consommées par les astronautes, et une charge de rayonnement plus faible.

Et il y a un autre gros avantage. La poussée d'une fusée nucléaire pourrait permettre des missions lorsque la Terre et Mars ne sont pas parfaitement alignés. À l'heure actuelle, si vous manquez votre fenêtre, il faut attendre encore deux ans, mais une fusée nucléaire pourrait vous donner la poussée nécessaire pour faire face aux retards de vol.

Les premiers tests de fusées nucléaires ont commencé en 1955 avec le projet Rover au laboratoire scientifique de Los Alamos. Le développement clé a été de miniaturiser suffisamment les réacteurs pour qu'ils tiennent sur une fusée. Au cours des prochaines années, les ingénieurs ont construit et testé plus d'une douzaine de réacteurs de différentes tailles et puissances.

Avec le succès de Project Rover, La NASA a jeté son dévolu sur les missions humaines vers Mars qui suivraient les atterrisseurs d'Apollo sur la Lune. En raison de la distance et du temps de vol, ils ont décidé que les fusées nucléaires seraient la clé pour rendre les missions plus performantes.

Les fusées nucléaires ne sont pas sans risques, bien sûr. Un réacteur à bord serait une petite source de rayonnement pour l'équipage des astronautes à bord, cela serait compensé par la diminution du temps de vol. L'espace lointain lui-même est un énorme risque de rayonnement, avec le rayonnement cosmique galactique constant endommageant l'ADN des astronautes.

A la fin des années 1960, La NASA a mis en place le programme Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, ou NERVA, développer les technologies qui deviendraient les fusées nucléaires qui emmèneraient les humains sur Mars.

Ils ont testé plus gros, des fusées nucléaires plus puissantes, dans le désert du Nevada, évacuer l'hydrogène gazeux à grande vitesse directement dans l'atmosphère. Les lois environnementales étaient beaucoup moins strictes à l'époque.

Le premier NERVA NRX a finalement été testé pendant près de deux heures, avec 28 minutes à pleine puissance. Et un deuxième moteur a été démarré 28 fois et a fonctionné pendant 115 minutes.

À la fin, ils ont testé le réacteur nucléaire le plus puissant jamais construit, le réacteur Phoebus-2A, capable de générer 4, 000 mégawatts de puissance, poussée pendant 12 minutes.

Bien que les divers composants n'aient jamais été réellement assemblés dans une fusée prête à voler, les ingénieurs étaient convaincus qu'une fusée nucléaire répondrait aux besoins d'un vol vers Mars. Mais ensuite, les États-Unis ont décidé qu'ils ne voulaient plus aller sur Mars – nous voulions plutôt la navette spatiale. Le programme a été arrêté en 1973, et personne n'a testé de fusées nucléaires depuis lors.

Mais les récents progrès technologiques ont rendu la propulsion nucléaire thermique plus attrayante. Dans les années 60, la seule source de combustible qu'ils pouvaient utiliser était l'uranium hautement enrichi. Mais maintenant, les ingénieurs pensent pouvoir s'en sortir avec de l'uranium faiblement enrichi.

Ce serait plus sûr de travailler avec, et permettrait à plus d'installations de fusées d'effectuer des tests. Il serait également plus facile de capter les particules radioactives dans les gaz d'échappement et de les éliminer correctement. Cela réduirait les coûts globaux de travail avec la technologie.

Le 22 mai, 2019, le Congrès américain a approuvé un financement de 125 millions de dollars pour le développement de fusées à propulsion thermique nucléaire. Bien que ce programme n'ait aucun rôle à jouer dans le retour sur la lune d'Artemis 2024 de la NASA, il "appelle la NASA à développer un plan pluriannuel permettant une démonstration de propulsion nucléaire thermique, y compris le calendrier associé à la démonstration spatiale et une description des futures missions et des systèmes de propulsion et d'alimentation rendus possibles par cette capacité. »

La fission nucléaire est un moyen d'exploiter la puissance de l'atome. Bien sûr, il nécessite de l'uranium enrichi et génère des déchets radioactifs toxiques. Et la fusion, dans lequel des atomes d'hydrogène sont comprimés en hélium, libérer de l'énergie ?

Le soleil a fusionné, grâce à sa masse et sa température à cœur énormes, mais ingénierie durable, la fusion à énergie positive s'est avérée insaisissable.

D'énormes expériences comme ITER en Europe espèrent maintenir l'énergie de fusion au cours de la prochaine décennie. Après ça, vous pouvez imaginer des réacteurs à fusion miniaturisés au point de pouvoir jouer le même rôle qu'un réacteur à fission dans une fusée nucléaire. Mais même si les ingénieurs ne peuvent pas obtenir des réacteurs à fusion au point qu'ils soient à énergie positive nette, ils peuvent toujours fournir une accélération énorme pour la quantité de masse.

Et peut-être n'avons-nous pas besoin d'attendre des décennies. Un groupe de recherche du Princeton Plasma Physics Laboratory travaille sur un concept appelé Direct Fusion Drive, qu'ils pensent pourrait être prêt beaucoup plus tôt.

Il est basé sur le réacteur à fusion Princeton Field-Reversed Configuration développé en 2002 par Samuel Cohen. Du plasma chaud d'hélium-3 et de deutérium est contenu dans un récipient magnétique. L'hélium-3 est rare sur Terre, et précieux parce que de telles réactions de fusion ne généreront pas la même quantité de radiations dangereuses ou de déchets nucléaires que les autres réacteurs à fusion ou à fission.

Comme pour la fusée à fission, une fusée à fusion chauffe un propulseur à des températures élevées puis le projette par l'arrière, produisant une poussée.

Cela fonctionne en alignant un tas d'aimants linéaires qui contiennent et font tourner un plasma très chaud. Les antennes autour du plasma sont réglées sur la fréquence spécifique des ions, et créer un courant dans le plasma. Leur énergie est pompée au point que les atomes fusionnent, libérant de nouvelles particules. Ces particules errent dans le champ de confinement jusqu'à ce qu'elles soient capturées par les lignes de champ magnétique et qu'elles soient accélérées à l'arrière de la fusée.

En théorie, une fusée à fusion serait capable de fournir 2,5 à 5 Newtons de poussée par mégawatt, avec une impulsion spécifique de 10, 000 secondes - rappelez-vous 850 des fusées à fission, et 450 de fusées chimiques. Il produirait également l'électricité nécessaire à l'engin spatial loin du soleil, où les panneaux solaires ne sont pas très efficaces.

Un moteur à fusion directe serait capable de transporter une mission de 10 tonnes vers Saturne en seulement deux ans, ou un vaisseau spatial d'une tonne de la Terre à Pluton en quatre ans environ. New Horizons avait besoin de près de 10.

Puisqu'il s'agit également d'un réacteur à fusion d'un mégawatt, il fournirait également de l'énergie à tous les instruments du vaisseau spatial à son arrivée, bien plus que les batteries nucléaires actuellement transportées par les missions spatiales lointaines comme Voyager et New Horizons.

Imagine the kinds of interstellar missions that might be on the table with this technology. And Princeton Satellite Systems isn't the only group working on systems like this. Applied Fusion Systems have applied for a patent for a nuclear fusion engine that could provide thrust to spacecraft.

I know it's been decades since NASA seriously tested nuclear rockets as a way to shorten flight times, but it looks like the technology is back. Au cours des prochaines années, I expect to see new hardware and new tests of nuclear thermal propulsion systems. And I am incredibly excited at the possibility of actual fusion drives taking us to other worlds.