Comme la NASA Persévérance le rover se trouve sur la planète rouge, les ingénieurs au sol font progresser les technologies de propulsion potentielles pour les premières missions humaines vers Mars. La NASA étudie deux types de systèmes de propulsion nucléaire : la propulsion nucléaire électrique et la propulsion nucléaire thermique.
Les systèmes de propulsion électrique nucléaire utilisent des propulseurs beaucoup plus efficacement que les fusées chimiques, mais fournissent une faible poussée. Ils utilisent un réacteur pour générer de l’électricité qui charge positivement des gaz propulseurs comme le xénon ou le krypton, poussant les ions à travers un propulseur, ce qui fait avancer le vaisseau spatial. En utilisant efficacement une faible poussée, les systèmes de propulsion électrique nucléaire accélèrent les engins spatiaux pendant de longues périodes et peuvent propulser une mission sur Mars pour une fraction du propulseur des systèmes à forte poussée.
Illustration d’un habitat de transit sur Mars et d’un système de propulsion nucléaire qui pourraient un jour emmener des astronautes sur Mars. Crédit image : NASA
La technologie de propulsion nucléaire thermique fournit une poussée élevée et deux fois plus d’efficacité propulsive que les fusées chimiques. Le système fonctionne en transférant la chaleur du réacteur à un propulseur liquide. Cette chaleur convertit le liquide en gaz, qui se dilate à travers une tuyère pour fournir une poussée et propulser un engin spatial.
La NASA, en coordination avec le ministère de l’Énergie (DOE), est demande à l’industrie pour les concepts préliminaires de conception de réacteur pour un système de propulsion nucléaire thermique. Les agences prévoient de financer plusieurs efforts pour explorer différentes approches. Les futurs contrats de suivi permettront de générer des conceptions de réacteurs plus détaillées et de construire du matériel d’essai préliminaire.
« Alors que la priorité immédiate de la NASA est de ramener les humains sur la Lune avec le Artémis programme, nous investissons également dans « grand poteau » les technologies qui pourraient permettre des missions en équipage vers Mars », a déclaré Jim Reuter, administrateur associé de la Direction des missions de technologie spatiale (STMD) de la NASA. « Nous sommes impatients de voir quelles innovations l’industrie offre en matière de propulsion nucléaire ainsi que d’énergie de fission de surface via un prochain appel d’offres pour cette technologie. »
Missions humaines vers Mars
À ce jour, seuls les explorateurs robotiques ont voyagé sur Mars, sans avoir besoin de retourner sur Terre. Attendre un alignement planétaire optimal pour le voyage de retour obligerait les astronautes à flâner sur Mars pendant plus d’un an, étendant la mission aller-retour à plus de trois ans.
L’objectif de la NASA est de minimiser le temps que l’équipage voyage entre la Terre et Mars à aussi près de deux ans que possible. Les systèmes de propulsion nucléaire spatiale pourraient permettre des durées totales de mission plus courtes et offrir une flexibilité et une efficacité accrues aux concepteurs de missions.
Pour maintenir la durée de la mission aller-retour en équipage à environ deux ans, au minimum, la NASA envisage des systèmes de transport nucléaires pour faciliter les missions de surface de courte durée. Les systèmes tireraient parti de l’alignement planétaire optimal pour un transit à faible énergie pour une étape du voyage et des performances améliorées de la nouvelle technologie pour effectuer le transit à plus haute énergie pour l’autre étape.
Il est trop tôt pour dire quel système de propulsion conduira les premiers astronautes sur Mars, car il reste un développement important requis pour chaque approche.
Préparation technologique
Le Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama, dirige le projet de propulsion nucléaire spatiale de l’agence en partenariat avec une équipe du DOE qui comprend des scientifiques et des ingénieurs du laboratoire national de l’Idaho, du laboratoire national de Los Alamos et du laboratoire national d’Oak Ridge. Le programme de missions de démonstration technologique de STMD finance le développement technologique.
Propulsion nucléaire électrique s’appuie sur la maturation des travaux de la NASA propulsion électrique solaire propulseurs et systèmes pour Artemis, ainsi que le développement de la puissance de fission pour la surface lunaire. Des investissements importants ont également été réalisés dans des technologies de combustible et de réacteur pertinentes pour les petits réacteurs terrestres qui pourraient être adaptés aux réacteurs spatiaux pour alimenter la propulsion électrique. L’objectif du gouvernement américain d’établir une capacité de fabrication de combustible a une gamme d’applications, y compris la propulsion nucléaire et l’énergie de fission de surface.
La propulsion nucléaire thermique a été sur la NASA radar depuis plus de 60 ans. La nouvelle phase de conception et de développement du matériel, poursuivie dans le cadre d’un appel de propositions publié le 12 février 2021, s’appuie sur les efforts existants pour faire mûrir les éléments cruciaux d’un système de propulsion nucléaire thermique.
La NASA, en partenariat avec le DOE, développe et teste de nouveaux combustibles qui utilisent de l’uranium faiblement enrichi pour des applications spatiales afin de voir comment ils fonctionnent dans les environnements thermiques et radiologiques extrêmes nécessaires à la propulsion thermique nucléaire. La NASA travaille en étroite collaboration avec le DOE, l’industrie et les universités pour placer des échantillons de combustible dans des réacteurs de recherche à l’installation d’essais de réacteurs transitoires (TREAT) de l’Idaho National Laboratory et au Massachusetts Institute of Technology Nuclear Reactor Laboratory pour les essais nucléaires. L’équipe effectue également des essais non nucléaires dans des réacteurs simulés dans les installations d’essai de Marshall.
« Le réacteur qui sous-tend un système de propulsion nucléaire thermique est un défi technique important en raison des températures de fonctionnement très élevées nécessaires pour atteindre les objectifs de performances de propulsion », a expliqué Anthony Calomino, responsable du portefeuille de technologie nucléaire de la NASA au sein de STMD.
Alors que la plupart du moteur fonctionne à des températures modestes, les matériaux en contact direct avec le combustible du réacteur doivent pouvoir survivre à des températures supérieures à 4 600 degrés Fahrenheit. La NASA et le DOE ont travaillé avec l’industrie sur une approche viable, et l’industrie va maintenant développer des conceptions préliminaires pour relever ce défi.
Infusion de technologie
« Nous explorons à la fois les options de propulsion nucléaire électrique et thermique nucléaire pour les missions avec équipage sur Mars », a déclaré Calomino. « Chaque technologie a ses avantages et ses défis uniques qui doivent être soigneusement pris en compte lors de la détermination de la préférence finale. »
Quel que soit le système de propulsion finalement choisi, les principes fondamentaux de la propulsion nucléaire peuvent permettre une exploration robuste et efficace au-delà de la Lune. La NASA continuera à développer, tester et faire évoluer diverses technologies de propulsion pour réduire les risques et informer l’architecture de transport de Mars.
La source: Nasa
