Un nouveau type de propulseur de fusée qui pourrait emmener l’humanité sur Mars et au-delà a été proposé par un physicien du laboratoire de physique des plasmas (PPPL) de Princeton du ministère américain de l’énergie (DOE).
Le dispositif appliquerait des champs magnétiques pour faire en sorte que des particules de plasma, gaz chargé électriquement, également connu sous le nom de quatrième état de la matière, tirent sur l’arrière d’une fusée et, grâce à la conservation de l’élan, propulsent l’engin vers l’avant. Les propulseurs à plasma actuels, qui ont fait leurs preuves dans l’espace, utilisent des champs électriques pour propulser les particules.
Le nouveau concept permettrait d’accélérer les particules grâce à la reconnexion magnétique, un processus que l’on retrouve dans tout l’univers, y compris à la surface du soleil, dans lequel les lignes de champ magnétique convergent, se séparent soudainement, puis se réunissent à nouveau, produisant beaucoup d’énergie. La reconnexion se produit également à l’intérieur de dispositifs de fusion en forme de beignet appelés tokamaks.
« Je prépare ce concept depuis un certain temps« , a déclaré Fatima Ebrahimi, physicienne principale de recherche au PPPL, inventeur du concept et auteur d’un article détaillant l’idée dans le Journal of Plasma Physics. « J’ai eu l’idée en 2017 alors que j’étais assise sur un pont et que je réfléchissais aux similitudes entre les gaz d’échappement d’une voiture et les particules d’échappement à grande vitesse créées par l’expérience NSTX (National Spherical Torus Experiment) du PPPL« , le précurseur de l’actuelle installation de fusion phare du laboratoire. « Pendant son fonctionnement, ce tokamak produit des bulles magnétiques appelées plasmoïdes qui se déplacent à environ 20 kilomètres par seconde, ce qui m’a semblé beaucoup comme de la poussée.«
La fusion, l’énergie qui fait fonctionner le soleil et les étoiles, combine des éléments lumineux sous forme de plasma – l’état chaud et chargé de la matière composée d’électrons libres et de noyaux atomiques qui représente 99% de l’univers visible – pour générer des quantités massives d’énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre afin de disposer d’une source d’énergie pratiquement inépuisable pour produire de l’électricité.
Les propulseurs de plasma actuels qui utilisent les champs électriques pour propulser les particules ne peuvent produire qu’une faible impulsion spécifique, ou vitesse. Mais des simulations informatiques réalisées sur les ordinateurs du PPPL et du National Energy Research Scientific Computing Center, un centre d’utilisateurs scientifiques du DOE situé au Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley, en Californie, ont montré que le nouveau concept de propulseur à plasma peut générer des gaz d’échappement à des vitesses de centaines de kilomètres par seconde, soit 10 fois plus vite que celles des autres propulseurs.
Cette vitesse plus rapide au début du voyage d’un vaisseau spatial pourrait mettre les planètes extérieures à la portée des astronautes, a déclaré M. Ebrahimi. « Les voyages longue distance prennent des mois ou des années car l’impulsion spécifique des moteurs de fusée chimique est très faible, donc le vaisseau met du temps à atteindre sa vitesse« , a-t-elle déclaré. « Mais si nous fabriquons des propulseurs basés sur la reconnexion magnétique, nous pourrions alors concevoir des missions longue distance en un temps plus court« .
Il y a trois différences principales entre le concept de propulseur d’Ebrahimi et d’autres dispositifs. La première est que la modification de la force des champs magnétiques peut augmenter ou diminuer la quantité de poussée. « En utilisant plus d’électro-aimants et plus de champs magnétiques, vous pouvez en fait tourner un bouton pour régler la vitesse avec précision« , a déclaré M. Ebrahimi.
Deuxièmement, le nouveau propulseur produit un mouvement en éjectant à la fois des particules de plasma et des bulles magnétiques appelées plasmoïdes. Les plasmoïdes ajoutent de la puissance à la propulsion et aucun autre concept de propulseur ne les intègre.
Troisièmement, contrairement aux concepts de propulseurs actuels qui reposent sur les champs électriques, les champs magnétiques du concept d’Ebrahimi permettent au plasma à l’intérieur du propulseur de se composer d’atomes lourds ou légers. Cette flexibilité permet aux scientifiques d’adapter la quantité de poussée à une mission particulière. « Alors que d’autres propulseurs nécessitent un gaz lourd, composé d’atomes comme le xénon, dans ce concept, vous pouvez utiliser n’importe quel type de gaz que vous voulez« , a déclaré M. Ebrahimi. Dans certains cas, les scientifiques pourraient préférer le gaz léger, car les petits atomes peuvent se déplacer plus rapidement.
Ce concept élargit le portefeuille de recherche de PPPL dans le domaine de la propulsion spatiale. D’autres projets comprennent l’expérience du propulseur de Hall, lancée en 1999 par les physiciens du PPPL Yevgeny Raitses et Nathaniel Fisch pour étudier l’utilisation des particules de plasma pour le déplacement des engins spatiaux. Raitses et les étudiants étudient également l’utilisation de minuscules propulseurs Hall pour donner aux petits satellites appelés CubeSats une plus grande maniabilité lorsqu’ils sont en orbite autour de la Terre.
Ebrahimi a souligné que son concept de propulseur découle directement de ses recherches sur l’énergie de fusion. « Ces travaux ont été inspirés par des travaux antérieurs sur la fusion et c’est la première fois que des plasmoïdes et la reconnexion ont été proposés pour la propulsion spatiale« , a déclaré Mme Ebrahimi. « La prochaine étape est la construction d’un prototype !«
Cette recherche a été soutenue par le Bureau des sciences du DOE (Fusion Energy Sciences) et par des fonds de recherche et développement dirigés par les laboratoires (LDRD) mis à disposition par le Bureau des sciences.
Le PPPL, situé sur le campus Forrestal de l'université de Princeton à Plainsboro, N.J., se consacre à la création de nouvelles connaissances sur la physique des plasmas -- gaz ultra chauds et chargés -- et à la mise au point de solutions pratiques pour la création de l'énergie de fusion. Le laboratoire est géré par l'Office of Science de l'Université pour le Département américain de l'énergie, qui est le plus grand soutien à la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s'efforce de relever certains des défis les plus pressants de notre époque.
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