Une nouvelle ère de l’exploration spatiale s'ouvre. Avec la reprise du programme lunaire Artemis de la Nasa, nos yeux sont aussi rivés sur Mars, avec une mission habitée dans un futur proche, à l'horizon de la décennie 2030. Si SpaceX propose son Starship, la Nasa étudie un moyen de réduire le temps de voyage dans l'espace grâce à la propulsion nucléaire.

Un des plus grands défis pour faire une mission martiennemission martienne est le temps de voyage. Avec les technologies actuelles de propulsion à carburant liquide, il est possible d'y parvenir en six mois minimum. Pour une mission habitée, cela reste un problème essentiel pour le physiquephysique et le mental des astronautesastronautes (notamment l'exposition aux radiations), et cela ferme d'emblée la porteporte à une exploration habitée plus lointaine dans le Système solaireSystème solaire.

Étant donné que l'on ne disposera pas dans un futur proche de l'USS Enterprise ou du Faucon Millénium, il faut néanmoins trouver un moyen de réduire drastiquement le temps de trajet des astronautes vers la Planète rouge, sans pour autant alourdir le vaisseau en embarquant des dizaines de tonnes d'ergolsergols liquides. La propulsion nucléaire est une solution très avantageuse.

Vue d'artiste d'un vaisseau spatial utilisant de la propulsion NTP. © Nasa
Vue d'artiste d'un vaisseau spatial utilisant de la propulsion NTP. © Nasa

La relance de la course au moteur nucléaire

Une première course à cette technologie avait eu lieu durant la Guerre froide, puis les programmes ont été arrêtés. Cependant, ces dernières années, la Russie, la Chine et les États-Unis se sont à nouveau impliqués dans ces projets. La Nasa a relancé un programme de propulsion nucléaire bimodale, liantliant à la fois un système de propulsion nucléaire thermique (NTP) et un autre de propulsion nucléaire électrique (NEP).

L'objectif est d'atteindre Mars en 100 jours, au lieu de 180 aujourd'hui. Le programme programme Niac -- Nasa Innovative Advanced Concepts - en est à sa première phase, à savoir recueillir les concepts et soutenir leur mûrissement, avant de passer à des étapes plus concrètes.

Vue d'artiste d'un vaisseau spatial utilisant à la fois de la propulsion nucléaire thermique et électrique. © Nasa
Vue d'artiste d'un vaisseau spatial utilisant à la fois de la propulsion nucléaire thermique et électrique. © Nasa

Rallier nucléaire thermique et nucléaire électrique

Ce sont les deux concepts de propulsions nucléaires qui ont été étudiés jusqu'à présent. Le NTP repose sur un propulseurpropulseur classique avec comme ergol de l'HydrogèneHydrogène liquide (LH2), qui serait chauffé par un réacteur nucléaire embarqué. Ce puissant chauffage fait passer l'hydrogène à l'état gazeux, ce qui augmente drastiquement la pressionpression qui est canalisée avec une tuyèretuyère. La poussée générée est très efficace. Le concept a été étudié par la Nasa et l'US AirAir Force dès les années 1950, et par l'URSS entre 1965 et 1980.

La propulsion NEP repose sur un réacteur nucléaire alimentant en électricité un moteur ioniquemoteur ionique (propulseur à effet Halleffet Hall). Cela génère un champ électromagnétiquechamp électromagnétique qui accélère des particules de gaz pour créer une poussée. Le gaz généralement utilisé est le XénonXénon.

Le saviez-vous ?

Le nucléaire s'invite déjà dans le spatial depuis des décennies ! Des piles atomiques alimentent plusieurs sondes comme Voyager 1 ou Cassini car leur éloignement du Soleil ne leur permettait pas d'avoir suffisamment d'énergie solaire. C'est aussi le cas pour les rovers martiens Curiosity et Perseverance, qui fonctionnent ainsi sans panneau solaire ! 

Rallier ces deux propulsions pour une seule mission permet d'être plus flexible dans la poussée nécessaire. En effet, un voyage interplanétaire nécessite à la fois des grandes poussées (départ et arrivée pour le freinage) mais aussi pour des petites corrections de trajectoires. De plus, pour le confort des astronautes, la poussée ne doit pas être trop puissante. En contrepartie, elle doit pouvoir durer plus longtemps. Par exemple, un concept NEP peut maintenir la poussée pendant près de trois heures.

Concept de moteur nucléaire bimodal imaginé par Ryan Goose, avec un compresseur pour améliorer la poussée. Le concept a été retenu en phase 1 du programme Niac. © Ryan Goose, Université de Floride
Concept de moteur nucléaire bimodal imaginé par Ryan Goose, avec un compresseur pour améliorer la poussée. Le concept a été retenu en phase 1 du programme Niac. © Ryan Goose, Université de Floride

L’innovation qui permet de réduire le temps de voyage à 45 jours

Retenu dans la phase I du programme Niac de la Nasa, le concept « Bimodal NTP/NEP with a Wave Rotor Topping Cycle » proposé par le professeur Ryan Goose, responsable du programme Hypersonics à l'Université de Floride, suggère l'ajout d'un compresseur à ondes de pression. Associé à moteur NTP, le compresseur utilise la pression générée par le chauffage du LH2 pour le comprimer encore plus, et ainsi augmenter davantage la poussée. Avec un moteur NEP, la poussée est aussi améliorée. Selon Goose, ajouter ce compresseur à un système bimodal alliant NTP et NEP permet de réduire le temps de voyage vers Mars à 45 jours.