Moteurs spatiaux : les obstacles dont on ne parle pas

Nous avons toujours rêvé de l’espace. Les fusées chimiques nous y ont conduits depuis le lancement de Spoutnik 1 en 1957. Elles continuent de transporter nos charges utiles et nos passagers en orbite. Beaucoup pensent que de petites améliorations nous mèneront sur Mars et au-delà. Cette idée occulte d’énormes problèmes de physique et d’ingénierie. Elle méconnaît les véritables exigences des voyages dans l’espace lointain.

Nos voyages spatiaux actuels commencent et se terminent sur Terre. Les fusées sont lancées depuis des endroits comme Cap Canaveral, en Floride, ou le cosmodrome de Baïkonour, au Kazakhstan. La NASA, l’ESA et des entreprises comme SpaceX veulent réduire les coûts de lancement et améliorer la fiabilité. Leur objectif principal est de placer en toute sécurité les engins spatiaux et les astronautes en orbite terrestre basse. Parfois, ils envoient des sondes vers les planètes ou atteignent l’orbite lunaire.

Tout ce système dépend des fusées chimiques. Ces fusées brûlent des propergols comme l’hydrogène liquide et l’oxygène, projetant des gaz chauds pour générer la poussée. C’est suffisamment puissant pour vaincre la gravité terrestre. Mais cela limite sévèrement les missions lointaines.

Les fusées chimiques : une emprise tenace

Le Falcon 9 de SpaceX, à lui seul, a été lancé à 98 reprises en 2023. Cela témoigne de la fiabilité et de la cadence de lancement atteintes par les fusées chimiques. Beaucoup pensent qu’il suffirait que ces moteurs soient plus grands ou un peu plus efficaces. Ils pourront alors conquérir le système solaire. Cette idée occulte la « tyrannie de l’équation de la fusée ».

L’équation de la fusée implique qu’il faut plus de carburant simplement pour transporter le carburant lui-même. Cela rend les missions de longue durée moins efficaces. Le Dr Robert Zubrin, fondateur de la Mars Society, parle souvent de ce problème. Il note que la fusée Saturn V du programme Apollo utilisait plus de 85 % de sa masse au lancement comme propergol. Seule une infime partie a atteint l’orbite lunaire. Pour Mars, ce problème s’aggrave encore. Une fusée chimique plus grande nécessite simplement un réservoir de carburant beaucoup plus volumineux.

Il ne s’agit pas seulement de réservoirs plus grands. Il s’agit de physique fondamentale. Les réactions chimiques libèrent une quantité fixe d’énergie par unité de propergol. Cela limite la vitesse d’éjection maximale. Nous appelons cet indicateur clé d’efficacité l’impulsion spécifique (Isp). Même les meilleurs moteurs chimiques, comme les SSME de la navette spatiale, atteignent environ 450 secondes d’Isp. Ce n’est pas suffisant pour des voyages rapides entre les planètes.

La colossale fusée Saturn V, utilisée dans le programme Apollo, est connue pour avoir requis plus de 85 % de sa masse au lancement en propergol, illustrant la « tyrannie de l'équation de la fusée » qui limite les missions dans l'espace lointain. (Source : amazon.com)

Propulsion électrique : trop lente pour les humains

Les propulseurs ioniques ont apporté un grand bond en avant en matière d’efficacité énergétique. La sonde Dawn de la NASA, lancée en 2007, a utilisé la propulsion ionique pour se mettre en orbite autour de Vesta et Cérès. Cette mission a prouvé que la technologie permettait d’obtenir d’énormes changements de vitesse avec peu de carburant. Ainsi, de nombreuses personnes considèrent la propulsion électrique comme la prochaine étape pour les moteurs de l’espace lointain.

Cet enthousiasme occulte souvent un compromis important : la poussée. Les propulseurs ioniques produisent une poussée incroyablement faible, de l’ordre du millinewton. Dawn a mis quatre ans pour atteindre Vesta. Son accélération totale a duré des années. Le Dr Bruce Campbell, expert en propulsion aérospatiale à The Aerospace Corporation, le précise. Il affirme que les propulseurs ioniques, bien qu’efficaces, sont « trop lents pour les missions humaines ». Ils fonctionnent très bien pour les sondes robotiques transportant de petites charges sur de longues périodes. Mais les missions humaines doivent réduire le temps de transit. Cela diminue l’exposition aux radiations et le stress psychologique pour les astronautes.

Un voyage humain vers Mars utilisant des fusées chimiques pourrait prendre six à neuf mois l’aller simple. Le même voyage avec la propulsion ionique actuelle prendrait des années. Cela fait grimper en flèche les risques et les coûts de la mission. Le propulseur NEXT de la NASA a atteint une Isp de 4 100 secondes. Mais sa poussée maximale n’était encore que de 236 millinewtons. Cette lenteur d’accélération anéantit toute chance d’exploration habitée.

Énergie nucléaire : une promesse passée, un problème actuel

Les États-Unis ont investi massivement dans la recherche sur les fusées thermiques nucléaires (NTR) dans les années 1960. Le projet NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) a mené de nombreux tests. Par exemple, la série Kiwi-B a démontré le fonctionnement d’un réacteur à pleine puissance en 1964. Les NTR avaient une Isp environ le double de celle des fusées chimiques, soit environ 900 secondes. Cela promettait des voyages beaucoup plus rapides vers Mars. Beaucoup pensent que les NTR sont la solution évidente pour faire le lien entre la propulsion chimique et des systèmes plus avancés.

NERVA a été annulé en 1972, malgré de bons résultats d’essais. La plupart des gens blâment la politique de la Guerre Froide et les coupes budgétaires. Mais de réels problèmes techniques subsistaient. Il s’agissait notamment de problèmes de matériaux à des températures extrêmes. De plus, les inquiétudes concernant les essais de réacteurs nucléaires au sol et la gestion des gaz d’échappement radioactifs existent toujours. Le Dr Franklin Chang Díaz, PDG d’Ad Astra Rocket Company, qualifie les NTR de « vieille technologie nucléaire ». Il pense qu’elles apportent encore trop de problèmes environnementaux et politiques.

Le projet NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) était un programme américain des années 1960 qui a testé avec succès des moteurs de fusées thermiques nucléaires. Malgré des résultats prometteurs, notamment le fonctionnement à pleine puissance du réacteur de la série Kiwi-B en 1964, le projet a été annulé en 1972 en raison de la politique de la Guerre Froide, des coupes budgétaires et de préoccupations techniques et environnementales non résolues. (Source : autoevolution.com)

Chang Díaz défend une idée plus avancée : les fusées à plasma. Son moteur VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) chauffe les propergols en plasma avec des ondes radio. Des champs magnétiques accélèrent ensuite ce plasma. Le VASIMR vise des valeurs d’Isp de 3 000 à 30 000 secondes. Il offre également plus de poussée que les moteurs ioniques. Cette conception tente de contourner les limites des réacteurs nucléaires à cœur solide.

Concepts exotiques : pas seulement de la science-fiction

Les scientifiques recherchent activement des méthodes de propulsion comme la fusion et les propulseurs à antimatière. La plupart des acteurs du domaine spatial les considèrent comme trop lointains ou purement théoriques. Mais cela méconnaît les recherches scientifiques concrètes menées sur ces idées. Ce ne sont pas seulement des fantasmes. Ce sont des efforts sérieux pour utiliser la physique fondamentale à des fins de propulsion.

La propulsion par fusion, par exemple, tente de copier la puissance du soleil. Le Princeton Plasma Physics Lab (PPPL) étudie activement les réacteurs à fusion compacts. Ceux-ci pourraient un jour alimenter des engins spatiaux. C’est encore loin d’être une réalité, mais leurs travaux sur le confinement et le chauffage sont importants. Une fusée à fusion pourrait théoriquement atteindre des vitesses d’éjection bien au-delà de tout système chimique ou thermique nucléaire. Cela réduirait considérablement les temps de trajet.

La propulsion par antimatière est encore hautement spéculative. Sa fabrication et son stockage posent d’énormes défis. Mais le physicien théoricien Dr Gerald Smith de Penn State a étudié son potentiel. Il a montré comment l’annihilation de l’antimatière avec la matière pourrait transformer près de 100 % de la masse en énergie. Cela permet d’atteindre la plus haute densité d’énergie possible pour la propulsion. Même de minuscules quantités d’antimatière pourraient fournir une poussée énorme. Les obstacles sont immenses, mais nous comprenons la physique de l’annihilation de l’antimatière. Ce n’est pas de la magie.

La variable cachée : carburant et infrastructure

Les discussions sur les futurs moteurs négligent souvent le rôle critique de l’approvisionnement en carburant et de l’infrastructure. La plupart des plans supposent que nous lancerons toujours tout le propergol nécessaire depuis la Terre. Cette idée limite considérablement tous les concepts de propulsion, même les plus avancés. Elle passe à côté d’une partie essentielle du puzzle.

L’utilisation des ressources in situ (ISRU) offre une transformation radicale. Le Dr Phil Metzger, planétologue à l’Institut des sciences planétaires, défend l’ISRU. Il affirme que la fabrication de propergols sur la Lune ou Mars change tout. Si les futurs moteurs peuvent utiliser la glace d’eau locale pour fabriquer de l’hydrogène et de l’oxygène, la « tyrannie de l’équation de la fusée » diminue. Nous n’aurons pas à transporter toute cette masse depuis la Terre.

Le moteur VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), défendu par l'ancien astronaute Franklin Chang Díaz, chauffe les propergols en plasma avec des ondes radio et utilise des champs magnétiques pour l'accélération. Cette conception innovante vise à atteindre des valeurs d'impulsion spécifique sans précédent, permettant potentiellement des voyages spatiaux beaucoup plus rapides. (Source : ticotimes.net)

Le programme PROSPECT de l’ESA, par exemple, développe une technologie pour extraire l’eau du régolithe lunaire. Si cela fonctionne, les stations de ravitaillement lunaires deviennent une réalité. Les fusées pourraient alors être lancées de la Terre avec moins de carburant. Elles feraient le plein en orbite lunaire avant de partir pour Mars. Cette infrastructure est aussi importante que les nouveaux moteurs. Elle modifie complètement l’économie et la logistique des voyages spatiaux.

Le véritable objectif : vitesse, sécurité, durabilité

Atteindre de véritables voyages dans l’espace lointain nécessite plus que de petites améliorations aux moteurs existants. Cela passe à côté du véritable objectif. Les futurs moteurs spatiaux n’ont pas seulement besoin de plus de puissance. Ils ont besoin d’une vitesse d’éjection beaucoup plus élevée pour un voyage rapide. C’est important pour la sécurité des équipages et le succès des missions. Nous devons réduire l’exposition aux radiations lors de longs voyages. Nous devons également diminuer le stress mental dû à un long confinement.

Cela signifie que nous devons nous éloigner de la combustion chimique. Nous devons adopter des systèmes à impulsion spécifique ultra-élevée. Ceux-ci peuvent avoir moins de poussée initiale, mais ils offrent une accélération cumulative considérable. Le Dr Marc Millis, qui a autrefois dirigé le programme Breakthrough Propulsion Physics de la NASA, l’a souligné. Ses travaux portaient sur des systèmes qui ne nécessitaient pas de propergol ou une Isp considérablement améliorée. L’objectif final est de cesser de transporter toute la masse de réaction.

Ainsi, l’avenir du voyage spatial ne réside pas dans de plus grandes explosions. Il réside dans une physique plus intelligente. Nous devons construire des moteurs qui éjectent le propergol plus rapidement que jamais. Cela signifie explorer des idées avancées de plasma, de fusion et même d’antimatière. En parallèle, nous devons construire des dépôts de carburant dans l’espace. Ce n’est qu’alors que nous pourrons rendre le voyage spatial véritablement durable, sûr et rapide, permettant à l’humanité de s’étendre à travers le système solaire. Il ne s’agit pas seulement d’y arriver ; il s’agit de rendre le voyage possible.

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FAQ

Qu’est-ce que l’impulsion spécifique ? L’impulsion spécifique (Isp) mesure l’efficacité d’un moteur de fusée. Elle indique l’efficacité avec laquelle un moteur utilise son propergol pour produire de la poussée. Une Isp plus élevée signifie plus de poussée par unité de masse de propergol, permettant d’atteindre des vitesses plus grandes ou des durées de fonctionnement plus longues.

Pourquoi les fusées chimiques sont-elles encore autant utilisées ? Les fusées chimiques sont puissantes et fiables pour l’usage auquel elles sont destinées : soulever rapidement de lourdes charges utiles de la Terre. Elles fournissent une poussée élevée, nécessaire pour vaincre la forte gravité terrestre. La technologie est mature et bien comprise, ce qui les rend rentables pour les besoins de lancement actuels.

Le programme PROSPECT de l'ESA développe une technologie avancée pour extraire la glace d'eau du régolithe lunaire, une étape cruciale vers l'établissement de stations de ravitaillement lunaires durables. Cette utilisation des ressources pourrait réduire drastiquement la quantité de carburant que les fusées doivent transporter depuis la Terre, rendant les voyages dans l'espace lointain plus réalisables. (Source : esa.int)

Qu’est-ce que l’ISRU ? ISRU signifie Utilisation des ressources in situ. Cela implique l’utilisation des ressources locales trouvées sur d’autres corps célestes, comme la Lune ou Mars, pour produire les éléments essentiels. Cela inclut le propergol, l’eau ou les matériaux de construction. L’ISRU réduit la nécessité de tout lancer depuis la Terre, rendant les missions dans l’espace lointain plus durables.

Comment les « moteurs à distorsion » s’intègrent-ils dans les discussions sur les futurs moteurs ? Les moteurs à distorsion sont des concepts hautement théoriques qui proposent de déformer l’espace-temps pour voyager plus vite que la lumière. Bien qu’actuellement considérés comme de la pure science-fiction, ils représentent l’aspiration ultime pour le voyage interstellaire. Les chercheurs étudient leur physique sous-jacente, mais l’application pratique reste bien au-delà de nos capacités technologiques actuelles.

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