La NASA prévoit d’envoyer des missions avec équipage sur Mars au cours de la prochaine décennie, mais le voyage de 140 millions de miles (225 millions de kilomètres) vers la planète rouge pourrait prendre plusieurs mois, voire plusieurs années, aller-retour.
Ce temps de transit relativement long est dû à l’utilisation du carburant chimique traditionnel des fusées. Une technologie alternative aux fusées à propulsion chimique que l’Agence développe actuellement est la propulsion nucléaire thermique, qui utilise la fission nucléaire et pourrait un jour alimenter une fusée qui ferait le voyage en deux fois moins de temps. La fission nucléaire consiste à récolter l’incroyable quantité d’énergie libérée lorsqu’un atome est divisé par un neutron. Cette réaction est connue sous le nom de réaction de fission.
La technologie de la fission est bien établie dans la production d’énergie et les sous-marins à propulsion nucléaire, et son application à la propulsion d’une fusée pourrait un jour donner à la NASA une alternative plus rapide et plus puissante aux fusées à propulsion chimique.
La NASA et la Defense Advanced Research Projects Agency développent conjointement la technologie NTP. Elles prévoient de déployer et de démontrer les capacités d’un système prototype dans l’espace en 2027, ce qui pourrait en faire l’un des premiers de ce type à être construit et exploité par les États-Unis.
La propulsion nucléaire thermique pourrait également alimenter un jour des plates-formes spatiales manœuvrables qui protégeraient les satellites américains en orbite terrestre et au-delà. Mais cette technologie est encore en cours de développement.
Je suis professeur agrégé d’ingénierie nucléaire à l’Institut de technologie de Géorgie, dont le groupe de recherche élabore des modèles et des simulations pour améliorer et optimiser la conception des systèmes de propulsion thermique nucléaire. Mon espoir et ma passion sont de contribuer à la conception du moteur à propulsion thermique nucléaire qui permettra d’emmener un équipage sur Mars.
Propulsion nucléaire ou chimique
Les systèmes de propulsion chimique classiques utilisent une réaction chimique impliquant un propergol léger, tel que l’hydrogène, et un oxydant. Lorsqu’ils sont mélangés, ces deux éléments s’enflamment, ce qui permet au propergol de sortir très rapidement de la tuyère pour propulser la fusée.
Ces systèmes ne nécessitent aucun système d’allumage et sont donc fiables. Mais ces fusées doivent transporter de l’oxygène dans l’espace, ce qui peut les alourdir. Contrairement aux systèmes de propulsion chimique, les systèmes de propulsion nucléaire thermique s’appuient sur des réactions de fission nucléaire pour chauffer le propergol qui est ensuite expulsé de la tuyère pour créer la force motrice ou la poussée.
Dans de nombreuses réactions de fission, les chercheurs envoient un neutron vers un isotope plus léger de l’uranium, l’uranium 235. L’uranium absorbe le neutron, créant ainsi l’uranium 236. L’uranium 236 se divise ensuite en deux fragments – les produits de fission – et la réaction émet des particules diverses.
Plus de 400 réacteurs nucléaires en service dans le monde utilisent actuellement la technologie de la fission nucléaire. La majorité de ces réacteurs nucléaires en service sont des réacteurs à eau légère. Ces réacteurs à fission utilisent l’eau pour ralentir les neutrons et pour absorber et transférer la chaleur. L’eau peut créer de la vapeur directement dans le cœur du réacteur ou dans un générateur de vapeur, qui entraîne une turbine pour produire de l’électricité.
Les systèmes de propulsion nucléaire thermique fonctionnent de manière similaire, mais ils utilisent un combustible nucléaire différent qui contient davantage d’uranium 235. Ils fonctionnent également à une température beaucoup plus élevée, ce qui les rend extrêmement puissants et compacts. Les systèmes de propulsion nucléaire thermique ont une densité de puissance environ 10 fois supérieure à celle d’un réacteur à eau légère traditionnel.
La propulsion nucléaire pourrait avoir une longueur d’avance sur la propulsion chimique pour plusieurs raisons.
La propulsion nucléaire expulse très rapidement le propergol de la tuyère du moteur, ce qui génère une forte poussée. Cette poussée élevée permet à la fusée d’accélérer plus rapidement.
Ces systèmes ont également une impulsion spécifique élevée. L’impulsion spécifique mesure l’efficacité avec laquelle le propergol est utilisé pour générer la poussée. Les systèmes de propulsion nucléaire thermique ont une impulsion spécifique environ deux fois supérieure à celle des fusées chimiques, ce qui signifie qu’ils pourraient réduire le temps de voyage d’un facteur 2.
Historique de la propulsion nucléaire thermique
Pendant des décennies, le gouvernement américain a financé le développement de la technologie de la propulsion nucléaire thermique. Entre 1955 et 1973, les programmes de la NASA, de General Electric et des laboratoires nationaux d’Argonne ont produit et testé au sol 20 moteurs à propulsion thermique nucléaire.
Mais ces modèles antérieurs à 1973 reposaient sur un combustible à base d’uranium hautement enrichi. Ce combustible n’est plus utilisé en raison des dangers de prolifération qu’il présente, c’est-à-dire des dangers liés à la dissémination des matières et des technologies nucléaires.
L’initiative de réduction de la menace globale, lancée par le ministère de l’énergie et l’administration nationale de la sécurité nucléaire, vise à convertir un grand nombre de réacteurs de recherche utilisant du combustible à l’uranium hautement enrichi en combustible à l’uranium faiblement enrichi et hautement dosé (HALEU).
Le combustible à l’uranium faiblement enrichi et hautement dosé contient moins de matières susceptibles de subir une réaction de fission que le combustible à l’uranium hautement enrichi. Les fusées doivent donc être plus chargées en combustible HALEU, ce qui alourdit le moteur. Pour résoudre ce problème, les chercheurs étudient des matériaux spéciaux qui permettraient d’utiliser plus efficacement le combustible dans ces réacteurs.
Le programme Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) de la NASA et de la DARPA prévoit d’utiliser ce combustible à base d’uranium faiblement enrichi et hautement dosé dans son moteur de propulsion nucléaire thermique. Le programme prévoit de lancer sa fusée en 2027.
Dans le cadre du programme DRACO, l’entreprise aérospatiale Lockheed Martin s’est associée à BWX Technologies pour développer la conception du réacteur et du combustible.
Les moteurs à propulsion thermique nucléaire en cours de développement par ces groupes devront répondre à des normes de performance et de sécurité spécifiques. Ils devront être dotés d’un cœur capable de fonctionner pendant toute la durée de la mission et d’effectuer les manœuvres nécessaires à un voyage rapide vers Mars.
Idéalement, le moteur devrait être capable de produire une impulsion spécifique élevée, tout en satisfaisant aux exigences de poussée élevée et de faible masse du moteur.
Recherche en cours
Avant que les ingénieurs puissent concevoir un moteur qui réponde à toutes ces normes, ils doivent commencer par des modèles et des simulations. Ces modèles aident les chercheurs, comme ceux de mon groupe, à comprendre comment le moteur se comporterait au démarrage et à l’arrêt. Ces opérations nécessitent des changements rapides et massifs de température et de pression.
Le moteur à propulsion thermique nucléaire sera différent de tous les systèmes d’énergie de fission existants, et les ingénieurs devront donc créer des outils logiciels adaptés à ce nouveau moteur.
Mon groupe conçoit et analyse les réacteurs à propulsion thermique nucléaire à l’aide de modèles. Nous modélisons ces systèmes complexes de réacteurs pour voir comment des éléments tels que les changements de température peuvent affecter le réacteur et la sécurité de la fusée. Mais la simulation de ces effets peut nécessiter une puissance de calcul importante et coûteuse.
Nous avons travaillé à la mise au point de nouveaux outils informatiques permettant de modéliser le comportement de ces réacteurs lors de leur démarrage et de leur fonctionnement sans utiliser autant de puissance de calcul.
Mes collègues et moi-même espérons que ces recherches permettront un jour de mettre au point des modèles capables de contrôler la fusée de manière autonome.
Légende illustration : Les fusées à propulsion nucléaire pourraient un jour permettre des voyages spatiaux plus rapides. NASA
Dan Kotlyar, Associate Professor of Nuclear and Radiological Engineering, Georgia Institute of Technology
Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’ article original. Traduction Enerzine.com
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