La NASA investit dans le nucléaire pour propulser ses futures fusées vers Mars


 
L'idée des moteurs de fusée nucléaires remonte aux années 1940. Malgré toute la controverse qu'ils suscitent sur Terre, les réacteurs nucléaires peuvent produire l'énergie et la propulsion nécessaires pour transporter rapidement de gros engins spatiaux vers Mars, et même au-delà. Depuis quelques années, de nouveaux concepts prometteurs de propulsions nucléaires voient le jour, mais ces moteurs seront destinés uniquement aux voyages interplanétaires.
   
La propulsion chimique sera toujours utilisée pour envoyer un engin spatial au-delà de l'orbite terrestre. Ce n'est qu'une fois après avoir quitté l'atmosphère de notre planète que le système de propulsion nucléaire sera enclenché, ceci pour des raisons de sécurité évidentes. Si la fusée devait exploser lors de la phase de décollage, il n'y aurait aucune retombées radioactives dans l'atmosphère et au sol puisque la réaction nucléaire (par fission ou fusion) n'aurait pas commencé.
Le défi de rendre ces moteurs nucléaires sûrs et fiables reste en effet la priorité. La NASA s'est associée avec des partenaires de l'industrie nucléaire pour préparer les futures missions spatiales, et notamment martiennes. « La propulsion nucléaire permettrait d'aller sur Mars et de revenir en moins de deux ans », déclare Jeff Sheehy , ingénieur en chef à la Direction des missions de technologie spatiale de la NASA. « Pour atteindre un tel objectif, la technologie clé qui doit être optimisée est le carburant », ajoute-t-il.
Le carburant doit supporter les températures extrêmement élevées et les conditions volatiles à l'intérieur d'un moteur thermique nucléaire. La propulsion thermique nucléaire utilise l'énergie dégagée par les réactions nucléaires pour chauffer l'hydrogène liquide à environ 2430°C, soit environ huit fois la température des cœurs des centrales nucléaires. Une fois arrivé à destination, le réacteur nucléaire pourrait passer du système de propulsion à la source d'alimentation, permettant à l'engin de renvoyer des données de haute qualité pendant des années.

Obtenir suffisamment de poussée d'une fusée nucléaire nécessite de l'uranium hautement enrichi de qualité militaire. Les combustibles à l'uranium faiblement enrichi, utilisés dans les centrales électriques commerciales, seraient plus sûrs à utiliser, mais ils peuvent devenir cassants et se désagréger.
A l'heure actuelle, deux entreprises affirment que leurs combustibles sont suffisamment robustes pour un réacteur sûr, compact et performant. L'une de ces sociétés, Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies (USNC-Tech), basée à Seattle, a même déjà fourni une concept détaillé à la NASA. Elle utilise un combustible à l'uranium enrichi à moins de 20%, soit une qualité plus élevée que celle des réacteurs nucléaires pour produire de l'électricité, mais encore trop faible pour être détourné à des fins néfastes. Le carburant de la société contient des particules microscopiques d'uranium revêtues de céramique dispersées dans une matrice de carbure de zirconium. Les microcapsules gardent les sous-produits radioactifs de la fission à l'intérieur tout en laissant la chaleur s'échapper.
La société BWX Technologies, basée à Lynchburg, en Virginie, travaille dans le cadre d'un contrat de la NASA pour étudier un combustible composite céramique similaire, encapsulée dans une matrice métallique (image ci-dessous).
« Nous travaillons sur la conception de notre réacteur depuis 2017 », déclare Joe Miller, directeur général du groupe des technologies avancées de l'entreprise.


Les conceptions des deux sociétés reposent sur différents types de modérateurs, qui ralentissent les neutrons énergétiques produits pendant la fission afin qu'ils puissent soutenir une réaction en chaîne, au lieu de frapper et d'endommager la structure du réacteur. BWX intercale ses blocs de combustible entre les éléments hydrure, tandis que la conception d'USNC-Tech intègre un modérateur de métal béryllium dans le carburant. Le combustible reste en un seul morceau, survit aux conditions chaudes de l'hydrogène et du rayonnement, et ne consomme pas tous les neutrons du réacteur.
Si les deux entreprises s'appuient sur une technologie nucléaire basée sur la fission, il existe une autre voie pour concevoir des fusées nucléaires sûres. Il s'agit du réacteur à fusion. Les scientifiques du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton, située dans le New Jersey, aux États-Unis, utilisent ce réacteur expérimental pour chauffer des plasmas de fusion jusqu'à un million de degrés. Ils expérimentent une fusion entre des atomes de deutérium et d'hélium-3 dans un plasma à haute température, qui produit très peu de neutrons. Les neutrons ne sont pas très appréciés car ils peuvent rendre radioactif un matériau comme l'acier. Le concept du laboratoire de Princeton, appelé Direct Fusion Drive, nécessite également beaucoup moins de carburant que la fusion conventionnelle (en photo ci-dessous).



La propulsion par fusion pourrait en théorie surpasser de loin la propulsion basée sur la fission, car les réactions de fusion libèrent jusqu'à quatre fois plus d'énergie. Cependant, la technologie n'est pas aussi avancée et fait face à plusieurs défis, notamment la génération et le confinement du plasma, et la conversion efficace de l'énergie libérée en échappement à jet dirigé.
USNC-Tech, en revanche, a déjà réalisé de petits prototypes matériels basés sur son nouveau carburant. La société est sur la bonne voie pour atteindre l'objectif de la NASA: obtenir un système de démonstration à l'échelle 1:2, prêt à être lancé d'ici 2027. La prochaine étape serait d'équiper une fusée à grande échelle, qui pourrait très bien conduire une mission sur Mars d'ici 2035.
 
   

(heure de Paris)
Lever de Mars: 13h02
Coucher de Mars: 2h51
Distance Terre-Mars
129,6 millions de km

Arrivée du rover
Perseverance
sur Mars dans
 
   
 
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