Un nouveau type de propulseur de fusée qui pourrait emmener l'humanité sur Mars et au-delà a été proposé par un physicien du laboratoire de physique du plasma de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE).

L'appareil appliquerait des champs magnétiques pour provoquer des particules de plasma, gaz chargé électriquement également connu sous le nom de quatrième état de la matière, tirer à l'arrière d'une fusée et, en raison de la conservation de la quantité de mouvement, propulser l'engin vers l'avant. Les propulseurs à plasma actuels, éprouvés dans l'espace, utilisent des champs électriques pour propulser les particules.

Le nouveau concept accélérerait les particules en utilisant la reconnexion magnétique, un processus trouvé dans tout l'univers, y compris la surface du soleil, dans laquelle convergent les lignes de champ magnétique, se séparer subitement, puis se réunir à nouveau, produisant beaucoup d'énergie. La reconnexion se produit également à l'intérieur de dispositifs de fusion en forme de beignet appelés tokamaks.

"Je cuisine ce concept depuis un moment, " a déclaré Fatima Ebrahimi, physicienne de recherche principale du PPPL, l'inventeur du concept et auteur d'un article détaillant l'idée dans le Journal de physique des plasmas . "J'ai eu l'idée en 2017 alors que j'étais assis sur un pont et que je réfléchissais aux similitudes entre l'échappement d'une voiture et les particules d'échappement à grande vitesse créées par l'expérience nationale du tore sphérique (NSTX) de PPPL, " l'ancêtre de l'actuelle installation de fusion phare du laboratoire. " Au cours de son fonctionnement, ce tokamak produit des bulles magnétiques appelées plasmoïdes qui se déplacent à environ 20 kilomètres par seconde, ce qui m'a semblé beaucoup comme une poussée."

La fusion, la puissance qui anime le soleil et les étoiles, combine des éléments légers sous forme de plasma - le chaud, état chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques qui représente 99% de l'univers visible - pour générer des quantités massives d'énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre pour une réserve d'énergie pratiquement inépuisable pour produire de l'électricité.

Les propulseurs à plasma actuels qui utilisent des champs électriques pour propulser les particules ne peuvent produire qu'une faible impulsion spécifique, ou la vitesse. Mais des simulations informatiques effectuées sur des ordinateurs PPPL et le National Energy Research Scientific Computing Center, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science au Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley, Californie, a montré que le nouveau concept de propulseur à plasma peut générer des gaz d'échappement avec des vitesses de centaines de kilomètres par seconde, 10 fois plus rapide que ceux des autres propulseurs.

Cette vitesse plus rapide au début du voyage d'un vaisseau spatial pourrait mettre les planètes extérieures à la portée des astronautes, dit Ebrahimi. "Les voyages longue distance prennent des mois ou des années car l'impulsion spécifique des moteurs-fusées chimiques est très faible, donc l'engin met du temps à se mettre à niveau, " dit-elle. " Mais si nous fabriquons des propulseurs basés sur la reconnexion magnétique, alors nous pourrions éventuellement accomplir des missions longue distance dans un laps de temps plus court."

Il existe trois différences principales entre le concept de propulseur d'Ebrahimi et les autres appareils. La première est que changer la force des champs magnétiques peut augmenter ou diminuer la quantité de poussée. "En utilisant plus d'électro-aimants et plus de champs magnétiques, vous pouvez en effet tourner un bouton pour affiner la vélocité, " a déclaré Ebrahimi.

Seconde, le nouveau propulseur produit un mouvement en éjectant à la fois des particules de plasma et des bulles magnétiques appelées plasmoïdes. Les plasmoïdes ajoutent de la puissance à la propulsion et aucun autre concept de propulseur ne les intègre.

Troisième, contrairement aux concepts de propulseurs actuels qui reposent sur des champs électriques, les champs magnétiques du concept d'Ebrahimi permettent au plasma à l'intérieur du propulseur d'être constitué d'atomes lourds ou légers. Cette flexibilité permet aux scientifiques d'adapter la quantité de poussée pour une mission particulière. "Alors que d'autres propulseurs nécessitent du gaz lourd, fait d'atomes comme le xénon, dans ce concept, vous pouvez utiliser n'importe quel type de gaz que vous voulez, ", a déclaré Ebrahimi. Les scientifiques pourraient préférer le gaz léger dans certains cas, car les atomes plus petits peuvent se déplacer plus rapidement.

Ce concept élargit le portefeuille de PPPL en matière de recherche sur la propulsion spatiale. D'autres projets incluent l'expérience Hall Thruster qui a été lancée en 1999 par les physiciens du PPPL Yevgeny Raitses et Nathaniel Fisch pour étudier l'utilisation de particules de plasma pour déplacer des engins spatiaux. Raitses et les étudiants étudient également l'utilisation de minuscules propulseurs à effet Hall pour donner aux petits satellites appelés CubeSats une plus grande maniabilité lorsqu'ils orbitent autour de la Terre.

Ebrahimi a souligné que son concept de propulseur découle directement de ses recherches sur l'énergie de fusion. "Ce travail s'inspire des travaux de fusion passés et c'est la première fois que des plasmoïdes et des reconnexions sont proposés pour la propulsion spatiale, " a déclaré Ebrahimi. "La prochaine étape est la construction d'un prototype!"