Une vue d'artiste d'une mission utilisant la propulsion nucléaire thermique. © Nasa, Marshall Space Flight Center

Sciences

Voyage vers Mars : la Nasa envisage des vaisseaux à propulsion nucléaire

ActualitéClassé sous :Colonisation de Mars , propulsion thermique nucléaire , réacteur nucléaire

En utilisant la propulsion nucléaire thermique, une mission habitée mettrait un peu plus de quatre mois, au lieu d'environ neuf mois, pour rejoindre Mars. La Nasa le sait depuis des décennies et depuis quelques années, elle se penche à nouveau sur cette technologie.

C'est l'un des buzz du moment, la Nasa envisagerait à nouveau et rapidement de développer un programme de propulsion nucléaire thermique pour aller sur Mars à l'horizon des années 2030. Un premier test dans l'espace pourrait d'ailleurs être réalisé en 2024, au moment où la Nasa est censée reposer le pied sur la Lune avec la mission Artemis. L'administration Trump pousserait ainsi à atteindre Mars le plus vite possible. Et ce, dans tous les sens du terme car, et ce n'est un secret pour personne depuis 60 ans au moins, la propulsion nucléaire, qu'elle soit thermique ou électrique, permettrait de raccourcir les temps de trajets pour déposer des Hommes sur Mars ou pour explorer les lunes glacées de Jupiter, par exemple, avec une mission qui ne serait pas sans rappeler celle mise en scène par Arthur Clarke et Stanley Kubrick dans 2001 :  L’odyssée de l’espace.

Les avantages seraient en fait nombreux car un temps de trajet plus court signifie aussi un moindre risque de développer un cancer du fait d'une durée d'exposition importante aux rayonnements cosmiques galactiques et aux radiations des tempêtes solaires -- des bulles magnétiques de protection pourraient tout de même être utilisables --, cela entraîne aussi moins de problèmes avec les effets de la microgravité et un moindre risque aussi -- mais d'un point de vue psychologique voire social -- pour les membres d'une mission martienne d'une durée autrement plus longue avec une propulsion conventionnelle. Un moteur nucléaire, c'est aussi plus d'opportunités pour des fenêtres avec transferts d’orbites à la Hohmann entre Mars et la Terre qui seraient moins favorables, toujours avec l'emploi de fusées chimiques.

Une présentation de la propulsion nucléaire thermique. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © CoconutScienceLab, Nasa

La propulsion nucléaire, une clé de l'exploration du Système solaire

La prudence s'impose. Déjà, sous l'administration Bush, la Nasa avait fait savoir qu'elle avait reçu une impulsion et des moyens supplémentaires en 2003 pour développer la propulsion nucléaire. En l'occurrence, il s'agissait notamment de la propulsion nucléaire électrique avec l'ambitieux programme Prométhée ( project Prometheus en anglais, voir le précédent article ci-dessous) qui se donnait comme but d'envoyer une mission de grande envergure à destination des lunes galiléennes avec le Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO). La sonde aurait même déposé un module de 38,7 kg (230 kg en comptant le poids de ses fusées et airbags d'atterrissage) sur la mythique Europe grâce à un atterrisseur appelé ELM (Europa Lander Mission).

Hélas, pour des raisons technologiques et budgétaires, le programme fut abandonné en 2005. Il est donc trop tôt pour détailler les initiatives en cours et les enveloppes budgétaires concernant les réacteurs nucléaires. Par contre, il est intéressant de revenir rapidement sur l’histoire et les principes de la propulsion nucléaire et, en particulier, sa version thermique qui a fait l’objet de beaucoup de travaux aux USA, au cours des années 1960, avec le célèbre bien qu’un peu oublié programme Nerva (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application).

Une présentation du programme Nerva à la fin des années 1960. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Domaine public

Pour comprendre vraiment pourquoi la propulsion nucléaire est potentiellement supérieure à la propulsion avec des réacteurs chimiques, il faut en revenir à la célèbre équation de Tsiolkovski, l'un des pères de l'astronautique. Elle relie la vitesse d'éjection d'une fusée à la vitesse que l'on veut atteindre et au rapport entre la masse initiale, carburant et charge utile compris, et la masse finale après l'arrêt de l'éjection.

Des vitesses d'éjections plus grandes sans réaction chimique

Son message est clair, plus la vitesse d'éjection est élevée, plus on peut faire atteindre une vitesse importante avec du carburant pour une charge utile. Si on veut aller sur Mars ou visiter le Système solaire rapidement avec une sonde ou un module habité de grande taille, il faut donc un moteur qui éjecte le plus rapidement possible de la matière et avec une source d'énergie qui est la plus concentrée possible pour une masse donnée, très souvent du carburant.

On trouve aussi que la vitesse d'éjection v d'une fusée est proportionnelle à la racine carrée du rapport de la température T du gaz éjecté sur la masse des particules du gaz M, on a donc v= (T/M)1/2.

La température ne peut être supérieure au point de fusion des parois du moteur fusée (quelques milliers de degrés kelvins) mais il est possible de jouer sur la masse des particules éjectées. On peut donc se convaincre qu'au lieu d'utiliser la combustion avec de l'oxygène O2, utiliser uniquement de l'hydrogène moléculaire H2 chauffée à haute température dans un réacteur nucléaire permet d'atteindre des vitesses plus élevées qu'avec une réaction produisant par exemple de la vapeur d'eau H2O (M=18 en unités de masse molaire) avec, en bonus, une source d'énergie très dense, l'uranium du réacteur.

On peut faire encore mieux avec un réacteur nucléaire qui serait utilisé pour produire de l'électricité, électricité servant à accélérer à très hautes vitesses des atomes ou des molécules ionisées, ce qui là aussi permet d'atteindre de grandes vitesses pour une charge utile importante avec peu de carburant. C'est le principe du moteur ionique.

Reste qu'il n'est pas question de décoller de la Terre directement avec un réacteur nucléaire. Il ne s'agit pas d'une bombe nucléaire mais une explosion au sol contaminerait durablement un pas de tir. Il n'est pas évident non plus de lancer un réacteur en orbite avec une fusée chimique, car il n'est certainement pas du goût de tout le monde de prendre le risque de recevoir des matériaux radioactifs sur la tête à la suite d'un accident.

  • L'essor de l'énergie nucléaire après la seconde guerre mondiale a permis à la Nasa d'explorer le concept de la propulsion nucléaire thermique dans le but d'envoyer des masses importantes vers la Lune et d'effectuer un débarquement sur le sol martien.
  • La Nasa ressort périodiquement le concept de la propulsion nucléaire thermique pour un voyage martien comme on peut le constater depuis les années 2000.
  • La propulsion nucléaire aurait de nombreux avantages sur la propulsion chimique pour l'exploration et la conquête du Système solaire : temps de trajets plus courts et moindre effet des radiations cosmiques et de la microgravité pour les astronautes.
  • La propulsion nucléaire électrique, avec des moteurs ionique et à plasma, est aussi une option intéressante.
Pour en savoir plus

Un humain sur Mars en 2010 grâce à la propulsion nucléaire ?

Article de Olivier Poch

Il semblerait que Georges Bush, président des Etats-Unis, va annoncer le 28 Janvier la création d'un projet nommé Prometheus Project ayant pour but de développer la propulsion nucléaire dans l'espace.

La NASA a demandé au congrès américain une augmentation "très significative" des fonds pour le développement des systèmes de propulsion nucléaire. Georges Bush pourrait donc annoncer la nouvelle lorsqu'il donnera le budget 2003 de la l'agence spatiale américaine le 28 Janvier.

Ainsi, les américains pourraient envoyer des hommes sur Mars en 2010 en raccourcissant considérablement la durée du voyage Terre-Mars grâce à une fusée à propulsion nucléaire.

Le voyage avec un vaisseau utilisant les technologies des fusées actuelles mettrait 6 mois alors qu'avec une propulsion nucléaire, le voyage ne durerait plus que 2 mois !

La NASA et la Maison Blanche ont donc décidé de donner grand un coup de pouce au programme spatial. S'il se réalise, le projet Prometheus permettra de garantir de très grands progrès futurs pour l'exploration spatiale. Cela fait en effet plus de 40 ans que le système de propulsion chimique est utilisé et bloque les rêves les plus fous de l'aventure spatiale. Mais, "avec le nucléaire, l'exploration ne sera limitée que par notre imagination" assure l'administrateur de la NASA.
Reste à voir le problème écologique que peut engendrer le nucléaire dans l'espace...

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Cela vous intéressera aussi

Interview : quels sont les défis d'un voyage vers Mars ?  Mars est vraisemblablement, après la Lune, l’astre le plus facile à atteindre avec les technologies de propulsion actuelles. Néanmoins, il semblerait que les agences spatiales repoussent constamment son exploration. Futura-Sciences a interviewé Charles Frankel, planétologue, afin de savoir quels seraient les enjeux techniques d’un tel voyage.