Avec des rêves de Mars dans l'esprit de la NASA et d'Elon Musk, des missions en équipage à longue distance à travers l'espace sont à venir. Mais vous pourriez être surpris d'apprendre que les fusées modernes ne vont pas beaucoup plus vite que les fusées du passé.

Il y a beaucoup de raisons pour lesquelles un vaisseau spatial plus rapide est meilleur, et les fusées à propulsion nucléaire sont un moyen d'y parvenir. Ils offrent de nombreux avantages par rapport aux fusées traditionnelles à combustible ou aux fusées électriques modernes à énergie solaire, mais il n'y a eu que huit lancements spatiaux américains transportant des réacteurs nucléaires au cours des 40 dernières années.

Cependant, l'année dernière, les lois régissant les vols spatiaux nucléaires ont changé et les travaux ont déjà commencé sur cette prochaine génération de fusées.

Pourquoi le besoin de vitesse ?

La première étape d'un voyage dans l'espace implique l'utilisation de fusées de lancement pour mettre un navire en orbite. Ce sont les gros moteurs à combustible que les gens imaginent quand ils pensent aux lancements de fusées et qui ne sont pas susceptibles de disparaître dans un avenir prévisible en raison des contraintes de la gravité.

C'est une fois qu'un vaisseau atteint l'espace que les choses deviennent intéressantes. Pour échapper à la gravité terrestre et atteindre des destinations spatiales lointaines, les navires ont besoin d'une accélération supplémentaire. C'est là que les systèmes nucléaires entrent en jeu. Si les astronautes veulent explorer autre chose que la Lune et peut-être Mars, ils vont devoir aller très très vite. L'espace est immense, et tout est loin.

Il y a deux raisons pour lesquelles les fusées plus rapides sont meilleures pour les voyages spatiaux sur de longues distances :la sécurité et le temps.

Les astronautes en voyage sur Mars seraient exposés à des niveaux de rayonnement très élevés qui peuvent causer de graves problèmes de santé à long terme tels que le cancer et la stérilité. La protection contre les rayonnements peut aider, mais il est extrêmement lourd, et plus la mission est longue, plus il faut de blindage. Une meilleure façon de réduire l'exposition aux rayonnements est simplement d'arriver plus rapidement là où vous allez.

Mais la sécurité humaine n'est pas le seul avantage. Alors que les agences spatiales sondent plus loin dans l'espace, il est important d'obtenir les données des missions sans pilote dès que possible. Il a fallu 12 ans à Voyager-2 pour atteindre Neptune, où il a pris des photos incroyables en survolant. Si Voyager-2 avait un système de propulsion plus rapide, les astronomes auraient pu avoir ces photos et les informations qu'elles contenaient des années plus tôt.

La vitesse est bonne. Mais pourquoi les systèmes nucléaires sont-ils plus rapides ?

Les systèmes d'aujourd'hui

Une fois qu'un vaisseau a échappé à la gravité terrestre, il y a trois aspects importants à considérer lors de la comparaison d'un système de propulsion :

• Poussée - à quelle vitesse un système peut accélérer un navire
• Efficacité de masse - quelle poussée un système peut produire pour une quantité donnée de carburant
• Densité énergétique - combien d'énergie une quantité donnée de carburant peut produire

Aujourd'hui, les systèmes de propulsion les plus couramment utilisés sont la propulsion chimique, c'est-à-dire des fusées à combustible ordinaires et des systèmes de propulsion électrique à énergie solaire.

Les systèmes de propulsion chimique fournissent beaucoup de poussée, mais les fusées chimiques ne sont pas particulièrement efficaces, et le carburant de fusée n'est pas si dense en énergie. La fusée Saturn V qui a emmené les astronautes sur la Lune a produit 35 millions de Newtons de force au décollage et en a transporté 950, 000 gallons de carburant. Alors que la plupart du carburant a été utilisé pour mettre la fusée en orbite, les limites sont évidentes :il faut beaucoup de fuel lourd pour aller n'importe où.

Les systèmes de propulsion électrique génèrent une poussée en utilisant l'électricité produite à partir de panneaux solaires. La façon la plus courante de le faire est d'utiliser un champ électrique pour accélérer les ions, comme dans le propulseur Hall. Ces appareils sont couramment utilisés pour alimenter les satellites et peuvent avoir une efficacité de masse cinq fois supérieure à celle des systèmes chimiques. Mais ils produisent beaucoup moins de poussée - environ trois Newtons, ou juste assez pour accélérer une voiture de 0 à 100 km/h en environ deux heures et demie. La source d'énergie - le Soleil - est essentiellement infinie mais devient de moins en moins utile à mesure que le navire s'éloigne du Soleil.

L'une des raisons pour lesquelles les fusées à propulsion nucléaire sont prometteuses est qu'elles offrent une densité d'énergie incroyable. Le combustible à l'uranium utilisé dans les réacteurs nucléaires a une densité énergétique 4 millions de fois supérieure à celle de l'hydrazine, un propulseur de fusée chimique typique. Il est beaucoup plus facile de transporter une petite quantité d'uranium dans l'espace que des centaines de milliers de gallons de carburant.

Alors qu'en est-il de la poussée et de l'efficacité de masse ?

Deux options pour le nucléaire

Les ingénieurs ont conçu deux principaux types de systèmes nucléaires pour les voyages spatiaux.

La première est appelée propulsion nucléaire thermique. Ces systèmes sont très puissants et moyennement efficaces. Ils utilisent un petit réacteur à fission nucléaire, semblable à ceux que l'on trouve dans les sous-marins nucléaires, pour chauffer un gaz, comme l'hydrogène, et ce gaz est ensuite accéléré à travers une tuyère de fusée pour fournir une poussée. Les ingénieurs de la NASA estiment qu'une mission vers Mars propulsée par la propulsion nucléaire thermique serait 20 à 25 % plus courte qu'un voyage sur une fusée à propulsion chimique.

Les systèmes de propulsion nucléaire thermique sont plus de deux fois plus efficaces que les systèmes de propulsion chimique - ce qui signifie qu'ils génèrent deux fois plus de poussée en utilisant la même quantité de masse propulsive - et peuvent fournir 100, 000 Newtons de poussée. C'est assez de force pour faire passer une voiture de 0 à 100 km/h en un quart de seconde environ.

Le deuxième système de fusée nucléaire est appelé propulsion électrique nucléaire. Aucun système électrique nucléaire n'a encore été construit, mais l'idée est d'utiliser un réacteur à fission de haute puissance pour générer de l'électricité qui alimenterait ensuite un système de propulsion électrique comme un propulseur Hall. Ce serait très efficace, environ trois fois mieux qu'un système de propulsion thermique nucléaire. Étant donné que le réacteur nucléaire pourrait produire beaucoup d'énergie, de nombreux propulseurs électriques individuels pourraient être actionnés simultanément pour générer une bonne quantité de poussée.

Les systèmes électriques nucléaires seraient le meilleur choix pour les missions à très longue portée car ils ne nécessitent pas d'énergie solaire, ont un rendement très élevé et peuvent donner une poussée relativement élevée. Mais si les fusées nucléaires électriques sont extrêmement prometteuses, il reste encore beaucoup de problèmes techniques à résoudre avant leur mise en service.

Pourquoi n'y a-t-il pas encore de fusées à propulsion nucléaire ?

Les systèmes de propulsion nucléaire thermique ont été étudiés depuis les années 1960 mais n'ont pas encore volé dans l'espace.

Les réglementations imposées pour la première fois aux États-Unis dans les années 1970 exigeaient essentiellement un examen et une approbation au cas par cas de tout projet spatial nucléaire de la part de plusieurs agences gouvernementales et l'approbation explicite du président. Parallèlement au manque de financement pour la recherche sur les systèmes de fusées nucléaires, cet environnement empêchait d'autres améliorations des réacteurs nucléaires pour une utilisation dans l'espace.

Tout a changé lorsque l'administration Trump a publié un mémorandum présidentiel en août 2019. Tout en défendant la nécessité de maintenir les lancements nucléaires aussi sûrs que possible, la nouvelle directive permet aux missions nucléaires avec de plus faibles quantités de matières nucléaires de sauter le processus d'approbation multi-agences. Seule l'agence sponsor, comme la NASA, par exemple, doit certifier que la mission répond aux recommandations de sécurité. Les missions nucléaires plus importantes passeraient par le même processus qu'auparavant.

Parallèlement à cette révision de la réglementation, La NASA a reçu 100 millions de dollars dans le budget 2019 pour développer la propulsion nucléaire thermique. La DARPA développe également un système de propulsion thermique nucléaire spatiale pour permettre des opérations de sécurité nationale au-delà de l'orbite terrestre.

Après 60 ans de stagnation, il est possible qu'une fusée à propulsion nucléaire se dirige vers l'espace d'ici une décennie. Cette réalisation passionnante inaugurera une nouvelle ère de l'exploration spatiale. Les gens iront sur Mars et les expériences scientifiques feront de nouvelles découvertes dans tout notre système solaire et au-delà.

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