Les nouvelles avancées dans le domaine des technologies de propulsion nucléaire thermique pourraient bientôt permettre la réalisation de missions spatiales avancées vers les confins du système solaire.
Les chercheurs de l’université d’État de l’Ohio sont à la pointe de ces avancées : des ingénieurs développent actuellement un système de propulsion nucléaire qui utilise de l’uranium liquide pour chauffer directement le propergol des fusées, en remplacement des éléments combustibles solides utilisés par les systèmes de propulsion nucléaire traditionnels.
Leur concept, appelé « fusée thermonucléaire centrifuge » (CNTR), est spécialement conçu pour améliorer les performances des fusées tout en minimisant les risques liés aux moteurs.
selon Dean Wang, membre senior du projet et professeur associé en génie mécanique et aérospatial à l’université d’État de l’Ohio, « Alors que les avancées similaires dans ce domaine se sont davantage concentrées sur l’accessibilité financière que sur les performances, le CNTR offre potentiellement un avantage considérable pour les futures missions spatiales habitées, même par rapport à d’autres types de systèmes à propulsion nucléaire, dans la mesure où il peut environ doubler l’efficacité d’un moteur. »
« Ces dernières années, la technologie de propulsion nucléaire thermique a suscité un intérêt croissant, alors que nous envisageons de renvoyer des hommes sur la Lune et de travailler dans l’espace cis-lunaire. Mais au-delà de cela, un nouveau système est nécessaire, car les moteurs chimiques traditionnels pourraient ne pas être viables. » a indiqué M. Wang.
Les moteurs chimiques sont utilisés dans les vols spatiaux depuis les débuts de l’ère spatiale. Cependant, leur poussée est limitée et ils consomment de grandes quantités de propergol. Par conséquent, les missions vers les confins du système solaire peuvent prendre beaucoup de temps, comme dans le cas de la sonde New Horizons qui a survolé Pluton pendant neuf ans.
En raison de ces limites, les futures missions nécessiteront des systèmes de propulsion capables de réduire la durée du voyage, d’augmenter la quantité de matériel envoyé en mission, ou les deux, si les chercheurs veulent envoyer des astronautes en toute sécurité vers des destinations lointaines. Toutes ces raisons font qu’il est essentiel de démontrer le potentiel de ces approches. « Plus vous passez de temps dans l’espace, plus vous êtes exposé à toutes sortes de risques pour la santé », a-t-il ajouté. « Si nous pouvons raccourcir cette durée, ce serait donc très bénéfique. » a déclaré M. Wang.
Si la conception de l’équipe est couronnée de succès, l’intégration de leur moteur dans les futures fusées pourrait faciliter les voyages plus lointains avec moins de carburant, car l’impulsion spécifique la plus élevée (la quantité de poussée pouvant être obtenue à partir d’une quantité spécifique de propergol) d’un moteur chimique est d’environ 450 secondes. Les moteurs à propulsion nucléaire basés sur des conceptions testées dans les années 1960 atteignaient environ 900 secondes et, selon l’équipe, un CNTR pourrait atteindre des valeurs encore plus élevées.
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« L’utilisation de la propulsion nucléaire thermique offrirait également une plus grande flexibilité pour les opérations de mission, car les fusées pourraient profiter de trajectoires de vol supplémentaires impossibles à réaliser avec des moteurs chimiques, afin d’atteindre plus rapidement des cibles situées dans l’espace lointain. Plus particulièrement, comme ces systèmes peuvent utiliser toute une gamme de substances potentielles comme propergol, leur utilisation à grande échelle pourrait rapidement faciliter le développement de ressources spatiales telles que les astéroïdes et les objets de la ceinture de Kuiper » a observé M. Wang.
Dans l’ensemble, ces capacités accrues pourraient permettre des missions humaines aller-retour plus rapides vers Mars, ainsi que de nouvelles missions robotiques aller simple vers les planètes extérieures, notamment Saturne, Uranus et Neptune, a déclaré Spencer Christian, doctorant en ingénierie à l’université d’État de l’Ohio. Sous la direction de John Horack, professeur d’ingénierie mécanique et aérospatiale à l’université d’État de l’Ohio, M. Christian dirige la construction du prototype du CNTR.
« Vous pourriez effectuer un voyage aller simple vers Mars en six mois, par exemple, au lieu d’une année pour la même mission. Selon son efficacité, le prototype du moteur CNTR nous propulse vers l’avenir. » a commenté M. Christian.
Malgré ces nouvelles perspectives d’exploration spatiale accrue, comme pour toute innovation émergente, de nombreux défis techniques doivent encore être relevés, a dit M. Wang. « Nous comprenons très bien les aspects physiques de notre conception, mais il reste des défis techniques à surmonter ».
Bon nombre de ces défis ont été détaillés dans une étude récemment publiée par l’équipe dans la revue Acta Astronautica. Parmi les obstacles potentiels, il faut s’assurer que les méthodes utilisées pour le démarrage, le fonctionnement et l’arrêt évitent les instabilités, et imaginer des moyens de minimiser la perte de combustible à l’uranium et de pallier les éventuelles pannes du moteur.
Le concept CNTR de cette équipe devrait être prêt à être mis en œuvre dans les cinq prochaines années, mais en préparant leur modèle pour une utilisation potentielle de nouvelle génération, les chercheurs sont impatients de montrer à quel point il pourrait être performant dans des conditions extrêmes.
Après tout, une dernière démonstration en laboratoire permettra probablement d’orienter les futures technologies de propulsion nucléaire thermique. « Nous devons continuer à accorder la priorité à la propulsion nucléaire spatiale à l’avenir, afin que cette technologie ait le temps de mûrir. C’est un avantage considérable que nous ne pouvons pas nous permettre de négliger. » a conclu M. Wang.
Article : « Addressing challenges to engineering feasibility of the centrifugal nuclear thermal rocket’ – DOI : 10.1016/j.actaastro.2025.05.007
