Exploration spatiale:Des physiciens russes s’approchent d’un moteur à plasma pour un voyage dans l’espace ultra-rapide

 

Générateur de plasma

 

 

 

Des scientifiques russes et du monde entier considèrent la technologie des fusées à plasma comme un ingrédient possible essentiel pour des missions rapides sur Mars et au-delà.

Des physiciens de l’Institut Budker de physique nucléaire de la section sibérienne de l’Académie des sciences de Novosibirsk préparent une nouvelle série d’expériences visant à exploiter avec succès la puissance du plasma thermonucléaire destiné à être utilisé dans un moteur de fusée, a déclaré aux journalistes le directeur adjoint de l’institut, Alexander Ivanov .

Les expériences, qui débuteront plus tard ce mois-ci, feront suite à des tests déjà réussis qui ont confirmé la faisabilité du confinement du plasma dans une configuration expérimentale utilisant des paramètres appropriés pour un moteur de fusée, a déclaré Ivanov.

À la fin de 2018, l’institut a commencé à exploiter une installation unique, connue sous le nom de SMOLA, l’acronyme russe de « Spiral Magnetic Open Trap », ce dispositif servant de premier pas vers la création d’un réacteur à fusion. Le « piège à plasma » a permis aux scientifiques de travailler sur le confinement du plasma dans un système magnétique linéaire, ce qui, espérons-le, pourrait éventuellement contribuer à la création d’un prototype de moteur à plasma adapté aux voyages dans l’espace.

« Les premières expériences ont montré que l’effet existait. Le moteur spatial fonctionne, ainsi que le moyen de réduire les pertes de plasma. Un équipement standard est actuellement installé. Nous nous préparons à commencer des expériences en janvier 2019 qui devraient démontrer pleinement ses capacités, « Ivanov a dit.

Selon le physicien, la configuration actuelle sert de démonstrateur technologique. Les scientifiques atteignent une température de 100 000 degrés pour former le plasma et atteignent une densité suffisante pour leur fournir des données appropriées pour la poursuite des travaux de création d’une fusée à plasma. moteur.

En octobre, Energomash, une société russe d’ingénierie énergétique engagée dans la production de moteurs de fusées, a annoncé son intention de construire un moteur de fusée à plasma à haute puissance et sans électrodes. L’institut Kurchatov de Russie et le bureau de conception de produits chimiques automatiques ont tout d’abord annoncé qu’ils travaillaient sur un moteur à base de plasma pour les voyages dans l’espace en 2016 .

D’autres pays, y compris les États-Unis, sont engagés dans des développements similaires. En 2015, la NASA a attribué à la société privée de technologie de fusée à plasma Ad Astra un contrat portant sur la création de la « VASIMR ( » Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket « ). Les moteurs proposés fonctionneraient en chauffant le gaz sous pression à des températures extrêmement élevées en utilisant des ondes radio. plasma sous contrôle utilisant des champs magnétiques.

Les moteurs de fusée à plasma sont l’une des options proposées pour l’exploration humaine d’autres planètes de notre système solaire et au-delà.

 


les vaisseaux spatiaux à propulsion nucléaire de l’avenir

Les vaisseaux spatiaux utilisant un combustible hydrogène-oxygène conventionnel pourront emmener les gens sur la Lune, Mars ou Vénus. Mais l’exploration humaine d’autres planètes dans notre système solaire, et au-delà, nécessitera la création de navires exploitant le pouvoir de la fission nucléaire et de la fusion nucléaire, notamment via le concept de propulsion nucléaire à impulsions.

L’idée d’un système de propulsion de fusée utilisant une combustion explosive a été proposée pour la première fois par l’expert en explosifs russe Nikolai Kibalchich à la fin du 19ème siècle. Cependant, c’est le physicien nucléaire américain né en Pologne, Stanislaw Ulam, qui a eu l’idée d’utiliser des explosions nucléaires pour propulser des engins spatiaux. Ulam a eu l’idée en 1947, une décennie avant le satellite Sputnik 1 et l’avènement de l’ère spatiale. La proposition d’Ulam envisageait l’utilisation d’un bouclier métallique fixé au navire pour exploiter la puissance d’une explosion nucléaire et faire avancer le navire.

Projet Orion & PK-5000

À la fin des années 1950, des scientifiques américains dirigés par les physiciens Ted Tailor et Freeman Dyson ont commencé à travailler sur le projet Orion, un programme visant à créer un modèle de vaisseau spatial propulsé par un système de propulsion nucléaire. Le concept de véhicule Project Orion comprenait une unité d’impulsion nucléaire et des réservoirs de stockage de liquide de refroidissement, une plaque de poussée et deux étages d’amortisseurs pour absorber l’énergie des explosions nucléaires et propulser le navire vers l’avant, ainsi qu’une section de charge utile à l’avant du navire.

Coupe transversale du vaisseau spatial orion

En plus de sa rapidité, le concept a été prédit pour pouvoir théoriquement supporter une charge utile d’un ordre de grandeur supérieur à celui des fusées à combustible classiques. Les scientifiques ont estimé que si une charge nucléaire était déclenchée une fois toutes les trois secondes, le navire serait capable d’atteindre 3% de la vitesse de la lumière, permettant ainsi à l’humanité d’atteindre Alpha Centauri, le système solaire le plus proche en dehors de chez nous, dans environ 140 ans.

S’exprimant avec Tatyana Pichugina, collaboratrice scientifique de Rossiya Segodnya, à propos du projet Orion, Anton Pervushin, cosmonautique, historien et auteur de science-fiction, a expliqué que l’idée était séduisante dans le fait que « seule l’aide d’un système de propulsion à impulsions nucléaires peut accélérer de manière significative .  » Ainsi, a noté Pervushin, « les planètes distantes de notre système solaire deviendront accessibles et il deviendra possible d’organiser la première expédition interstellaire ». 

Modèle informatique de la conception du projet Orion.

Naturellement, des scientifiques soviétiques, dont le physicien Andrei Sakharov, père de la bombe à hydrogène soviétique, ont également exploré le concept de vaisseau spatial propulsé par une explosion nucléaire. Avec un engin spatial surnommé « vsryvolet » (littéralement « avion explosif »), le travail des Soviétiques était axé sur l’utilisation possible du concept d’exploration spatiale de grande envergure.

Le concept de Sakharov , baptisé PK-5000, visait à utiliser des explosions pour alimenter des navires d’une charge utile de 1 000 tonnes ou plus et de 10 à 20 cosmonautes.

Capture d’écran d’un journal scientifique russe présentant le design de vzryvolet de Sakharov.

Les travaux relatifs au projet Orion et à son analogue soviétique ont été arrêtés en 1963 à la suite de la signature du Traité d’interdiction partielle des essais nucléaires, qui interdisait les essais d’armes nucléaires dans l’atmosphère terrestre, dans l’espace et sous l’eau.

Propulsion thermonucléaire

En 1971, le physicien germano-américain Friedwardt Winterberg a publié un article scientifique proposant d’utiliser des réactions à commande thermonucléaire déclenchées par des faisceaux d’électrons intenses pour accélérer les engins spatiaux. Selon l’historien spatial Willis L. Shirk, l’énergie produite par une réaction de fusion nucléaire serait 26 millions de fois supérieure à celle d’un propulseur hydrogène-oxygène conventionnel, et plus de 4,3 fois supérieure à celle de la fission nucléaire.

En 1973, des scientifiques de la British Interplanetary Society formèrent  le « Project Daedalus », une vision pour un système de propulsion à fusion nucléaire.

Tatyana Pichugina écrit: « La fusion thermonucléaire se produit à l’intérieur d’étoiles. Sa création sur Terre nécessiterait d’immenses températures et de l’hydrogène ou de l’hydrogène-hélium. Des calculs ont montré que l’énergie de la fusion thermonucléaire d’un mélange de deutérium et d’hélium-3 pourrait permettre des vitesses de vol 36 000 km par seconde, soit 12% de la vitesse de la lumière, permettant ainsi à Dédale d’atteindre l’étoile de Bernard, à 5,9 années terrestres de la Terre, en un demi-siècle. À titre de comparaison, le Voyager 1, actuellement le plus rapide au monde engin spatial accéléré à 17,02 km / s grâce à sa manœuvre gravitationnelle près de Saturne. « 

Sur le plan structurel, le projet Daedalus prévoyait un grand réservoir de carburant de 50 000 tonnes, dans lequel de petites quantités de pastilles de mélange de deutérium et d’hélium-3 seraient envoyées à la chambre de combustion pour une détonation toutes les secondes, le flux d’échappement de plasma résultant étant dirigé via une puissante buse magnétique . Le navire sans équipage aurait une charge utile utile de 500 tonnes constituée d’équipements scientifiques.

Les travaux sur le projet Daedalus ont été annulés en 1978. En 2009, des scientifiques de la British Interplanetary Society, appuyés par la Tau Zero Foundation, ont commencé à travailler sur le projet Icarus, son successeur spirituel. 

Icarus envisage d’ envoyer plusieurs sondes à travers plusieurs systèmes solaires à moins de 15 années-lumière de la Terre afin d’effectuer des études détaillées des étoiles et des planètes. Comme Dédale, le projet nécessite de l’hélium-3 comme carburant, que l’on trouve en quantité suffisante à Neptune ou à Jupiter, mais qui est rare sur Terre. Compte tenu du rythme actuel du développement technologique, une telle exploitation minière sur une autre planète et, partant, une telle mission, pourrait ne pas être possible avant 2 300 ans.

En fin de compte, Anton Pervushin estime que tant que le traité d’interdiction des essais nucléaires restera en vigueur, la propulsion par impulsions nucléaires restera inévitablement un concept théorique. En outre, comme l’a expliqué Pichugina, outre les problèmes juridiques, un certain nombre de problèmes techniques restent en suspens. Celles-ci incluent comment appliquer du carburant dans la chambre de combustion, amortir l’accélération, protéger les équipages du rayonnement cosmique et, d’une manière générale, déterminer les types d’engins spatiaux les plus efficaces.

Pourtant, comme le note Pervushin, si l’humanité veut échapper aux liens de notre système solaire et envoyer de gros engins spatiaux à ses voisins, la propulsion par impulsions nucléaires reste la seule option réaliste.

Post-scriptum: Fission nucléaire pour la propulsion électrique

Outre les propositions ambitieuses relatives à la propulsion par fission nucléaire et à la fusion nucléaire interstellaire, les scientifiques soviétiques ont travaillé intensément des années 1960 aux années 1980 sur les systèmes de propulsion électrique à fission nucléaire, qui transforment l’énergie thermique nucléaire en énergie électrique, qui est ensuite utilisée pour alimenter des systèmes électriques conventionnels. systèmes de propulsion.

 

 

 

Capture d’écran d’un film éducatif soviétique sur les moteurs de fusée à propulsion nucléaire destinés aux engins spatiaux.

Le programme spatial soviétique a été un pionnier et a travaillé à améliorer la technologie avec la série de satellites Kosmos, qui, bien que généralement couronnée de succès, avait une réputation quelque peu entachée après la descente d’urgence de Kosmos 954 en 1978, laquelle a propagé des débris radioactifs dans le nord du Canada.

Les Soviétiques ont continué à expérimenter ces technologies jusqu’à la fin des années 1980, et ont même envisagé d’ utiliser l’énergie issue de la fission nucléaire comme moyen réaliste d’atteindre Mars.

 

Vision soviétique de 1988 d’une mission martienne utilisant la technologie de propulsion nucléaire

 

 

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