Crédit d'image: NASA
Comme tout le monde le sait, les fusées chimiques sont trop lentes pour l'exploration spatiale. Les systèmes hybrides seront peut-être les plus efficaces, avec différents types de propulsion utilisés à différents moments du voyage. Cet article vous donne une ventilation des technologies sur lesquelles la NASA travaille actuellement.
"Maman, on y est déjà?"
Chaque parent a entendu ce cri depuis le siège arrière de la voiture. Il commence généralement environ 15 minutes après le début de tout voyage en famille. Heureusement, nous parcourons rarement plus de quelques centaines ou quelques milliers de kilomètres de chez nous.
Mais que se passe-t-il si vous voyagez par exemple vers Mars? Même à son approche la plus proche de la Terre tous les deux ans, la planète rouge est toujours à au moins 35 millions de kilomètres. Six mois là-bas et six mois en arrière, au mieux.
"Houston, nous y sommes déjà?"
"Les fusées chimiques sont tout simplement trop lentes", déplore Les Johnson, responsable des technologies de transport dans l'espace au Marshall Space Flight Center de la NASA. "Ils brûlent tout leur propulseur au début d'un vol, puis le vaisseau spatial ne fait que suivre le reste du chemin." Bien que les vaisseaux spatiaux puissent être accélérés par l'assistance gravitationnelle - un craquement céleste autour des planètes, comme celui autour de Saturne qui a projeté Voyager 1 au bord du système solaire - les temps de trajet aller-retour entre les planètes sont toujours mesurés en années à des décennies. Et un voyage vers l'étoile la plus proche prendrait des siècles sinon des millénaires.
Pire encore, les fusées chimiques sont tout simplement trop économes en carburant. Pensez à conduire un bus à essence à travers un pays sans station-service. Vous auriez à transporter des cargaisons de gaz et pas grand-chose d'autre. Dans les missions spatiales, ce que vous pouvez emporter pendant votre voyage qui n'est pas du carburant (ou des réservoirs de carburant) s'appelle la masse de la charge utile, par exemple, les personnes, les capteurs, les échantillonneurs, les équipements de communication et la nourriture. Tout comme la consommation d'essence est une valeur utile pour l'efficacité énergétique d'une voiture, la «fraction de masse de la charge utile» - le rapport entre la masse de la charge utile d'une mission et sa masse totale - est une valeur utile pour l'efficacité des systèmes de propulsion.
Avec les fusées chimiques d'aujourd'hui, la fraction massique de la charge utile est faible. "Même en utilisant une trajectoire d'énergie minimale pour envoyer un équipage de six personnes de la Terre à Mars, avec des fusées chimiques à elles seules, la masse totale de lancement atteindrait 1 000 tonnes métriques, dont environ 90% seraient du carburant", a déclaré Bret G. Drake, responsable de l'analyse et de l'intégration du lancement spatial au Johnson Space Center. Le carburant à lui seul pèserait deux fois plus que la Station spatiale internationale achevée.
Une seule expédition sur Mars avec la technologie de propulsion chimique d'aujourd'hui nécessiterait des dizaines de lancements, dont la plupart ne feraient que lancer du carburant chimique. C'est comme si votre voiture compacte d'une tonne avait besoin de 9 tonnes d'essence pour conduire de New York à San Francisco, car elle ne faisait en moyenne qu'un mile par gallon.
En d'autres termes, les systèmes de propulsion à faible performance sont l'une des principales raisons pour lesquelles les humains n'ont pas encore mis le pied sur Mars.
Des systèmes de propulsion plus efficaces augmentent la fraction de masse de la charge utile en donnant une meilleure «consommation d'essence» dans l'espace. Comme vous n'avez pas besoin d'autant de propulseur, vous pouvez transporter plus de choses, monter dans un véhicule plus petit et / ou vous y rendre plus rapidement et moins cher. "Le message clé est: nous avons besoin de technologies de propulsion avancées pour permettre une mission à faible coût vers Mars", a déclaré Drake.
Ainsi, la NASA développe actuellement des commandes ioniques, des voiles solaires et d'autres technologies de propulsion exotiques qui depuis des décennies ont poussé les humains vers d'autres planètes et étoiles, mais uniquement dans les pages de la science-fiction.
De la tortue au lièvre
Quelles sont les options scientifiques?
La NASA travaille dur sur deux approches de base. La première consiste à développer des fusées radicalement nouvelles qui ont une économie de carburant d'un ordre de grandeur supérieur à la propulsion chimique. La seconde consiste à développer des systèmes «sans propulseur» alimentés par des ressources abondantes dans le vide de l'espace lointain.
Toutes ces technologies partagent une caractéristique clé: elles démarrent lentement, comme la tortue proverbiale, mais au fil du temps se transforment en lièvre qui gagne en fait une course vers Mars - ou n'importe où. Ils s'appuient sur le fait qu'une petite accélération continue au cours des mois peut finalement propulser un vaisseau spatial beaucoup plus rapidement qu'un énorme coup de pied initial suivi d'une longue période de cabotage.
Ci-dessus: Ce vaisseau spatial à faible poussée (concept d'un artiste) est propulsé par un moteur ionique et alimenté par l'électricité solaire. Finalement, l'engin prendra de la vitesse - résultat d'une accélération implacable - et roulera à plusieurs kilomètres par seconde. Crédit d'image: John Frassanito & Associates, Inc.
Techniquement parlant, ce sont tous des systèmes à faible poussée (ce qui signifie que vous ressentiriez à peine l'accélération oh-si-douce, équivalente à celle du poids d'un morceau de papier posé sur votre paume) mais de longs temps de fonctionnement. Après des mois de petite accélération continue, vous vous tiendrez à plusieurs kilomètres par seconde! En revanche, les systèmes de propulsion chimique ont une poussée élevée et des temps de fonctionnement courts. Vous êtes écrasé dans les coussins de siège pendant que les moteurs tournent, mais seulement brièvement. Après cela, le réservoir est vide.
Fusées économes en carburant
"Une fusée est tout ce qui jette quelque chose par-dessus bord pour se propulser vers l'avant", a souligné Johnson. (Ne croyez pas cette définition? Asseyez-vous sur une planche à roulettes avec un tuyau haute pression pointé dans un sens, et vous serez propulsé dans le sens opposé).
Les principaux candidats à la fusée avancée sont des variantes de moteurs ioniques. Dans les moteurs à ions actuels, le propulseur est un gaz inerte incolore, insipide et inodore, comme le xénon. Le gaz remplit une chambre aimantée à travers laquelle passe un faisceau d'électrons. Les électrons frappent les atomes gazeux, repoussant un électron extérieur et transformant les atomes neutres en ions chargés positivement. Les grilles électrifiées avec de nombreux trous (15 000 dans les versions d'aujourd'hui) concentrent les ions vers l'échappement du vaisseau spatial. Les ions dépassent les grilles à des vitesses allant jusqu'à plus de 100 000 miles par heure (comparez cela à une voiture de course Indianapolis 500 à 225 mph) - accélérant le moteur dans l'espace, produisant ainsi une poussée.
D'où vient l'électricité pour ioniser le gaz et charger le moteur? Soit à partir de panneaux solaires (dite propulsion électrique solaire) soit à partir de la fission ou de la fusion (dite propulsion électrique nucléaire). Les moteurs solaires à propulsion électrique seraient les plus efficaces pour les missions robotiques entre le soleil et Mars, et la propulsion électrique nucléaire pour les missions robotiques au-delà de Mars où la lumière du soleil est faible ou pour les missions humaines où la vitesse est essentielle.
Les disques ioniques fonctionnent. Ils ont fait leurs preuves non seulement dans des tests sur Terre, mais aussi dans des vaisseaux spatiaux en activité, le plus connu étant Deep Space 1, une petite mission de test technologique propulsée par une propulsion électrique solaire qui a volé et pris des photos de la comète Borrelly en septembre, 2001. Les propulseurs ioniques comme celui qui a propulsé Deep Space 1 sont environ 10 fois plus efficaces que les fusées chimiques.
Systèmes sans propergol
Les systèmes de propulsion de masse la plus faible, cependant, peuvent être ceux qui ne contiennent aucun propulseur embarqué. En fait, ce ne sont même pas des fusées. Au lieu de cela, dans un véritable style pionnier, ils «vivent de la terre» - en s'appuyant sur l'énergie des ressources naturelles abondantes dans l'espace, tout comme les pionniers d'autrefois comptaient sur la nourriture pour piéger les animaux et trouver des racines et des baies à la frontière.
Les deux principaux candidats sont les voiles solaires et les voiles plasma. Bien que l'effet soit similaire, les mécanismes de fonctionnement sont très différents.
Une voile solaire se compose d'une énorme zone de matériau gossamer hautement réfléchissant qui est déployé dans l'espace lointain pour capter la lumière du soleil (ou d'un micro-ondes ou d'un faisceau laser de la Terre). Pour des missions très ambitieuses, les voiles pouvaient s'étendre sur plusieurs kilomètres carrés.
Les voiles solaires profitent du fait que les photons solaires, bien qu'ils n'aient pas de masse, ont un élan – plusieurs micronewtons (environ le poids d'une pièce) par mètre carré à la distance de la Terre. Cette légère pression de rayonnement accélérera lentement mais sûrement la voile et sa charge utile loin du soleil, atteignant des vitesses allant jusqu'à 150 000 miles par heure, ou plus de 40 miles par seconde.
Une idée fausse commune est que les voiles solaires attrapent le vent solaire, un flux d’électrons et de protons énergétiques qui bouillonnent loin de l’atmosphère extérieure du Soleil. Mais non. Les voiles solaires tirent leur élan de la lumière solaire elle-même. Il est cependant possible d'exploiter l'élan du vent solaire en utilisant ce que l'on appelle des «voiles de plasma».
Les voiles en plasma sont modélisées sur le propre champ magnétique de la Terre. De puissants électro-aimants embarqués entoureraient un vaisseau spatial avec une bulle magnétique de 15 ou 20 kilomètres de diamètre. Les particules chargées à grande vitesse dans le vent solaire pousseraient la bulle magnétique, tout comme elles le font le champ magnétique terrestre. La Terre ne bouge pas lorsqu'elle est poussée de cette façon - notre planète est trop massive. Mais un vaisseau spatial serait progressivement éloigné du Soleil. (Un bonus supplémentaire: tout comme le champ magnétique terrestre protège notre planète contre les explosions solaires et les tempêtes de rayonnement, une voile à plasma magnétique protégerait les occupants d'un vaisseau spatial.)
Ci-dessus: concept d'artiste d'une sonde spatiale à l'intérieur d'une bulle magnétique (ou «voile de plasma»). Des particules chargées dans le vent solaire ont frappé la bulle, appliqué une pression et propulsé le vaisseau spatial. [plus]
Bien sûr, la technologie originale sans gaz propulseur éprouvée est l'assistance par gravité. Lorsqu'un vaisseau spatial se balance sur une planète, il peut voler une partie de l'élan orbital de la planète. Cela ne fait guère de différence pour une planète massive, mais cela peut augmenter de manière impressionnante la vitesse d'un vaisseau spatial. Par exemple, lorsque Galileo s'est balancé sur Terre en 1990, la vitesse de l'engin spatial a augmenté de 11 620 mph; pendant ce temps, la Terre a ralenti son orbite de moins de 5 milliardièmes de pouce par an. De telles aides à la gravité sont utiles pour compléter toute forme de système de propulsion.
D'accord, maintenant que vous avez zippé dans l'espace interplanétaire, comment ralentissez-vous suffisamment à destination pour entrer dans une orbite de stationnement et vous préparer à l'atterrissage? Avec la propulsion chimique, la technique habituelle consiste à tirer des rétrorockets - encore une fois, nécessitant de grandes masses de carburant à bord.
Une option beaucoup plus économique est promise par l'aérocapture - le freinage de l'engin spatial par friction avec l'atmosphère de la planète de destination. L'astuce, bien sûr, n'est pas de laisser brûler un vaisseau spatial interplanétaire à grande vitesse. Mais les scientifiques de la NASA estiment qu'avec un bouclier thermique bien conçu, de nombreuses missions pourraient être capturées en orbite autour d'une planète de destination en un seul passage dans la haute atmosphère.
En avant!
"Aucune technologie de propulsion ne fera tout pour tout le monde", a averti Johnson. En effet, les voiles solaires et les voiles à plasma seraient probablement utiles principalement pour propulser des cargaisons plutôt que des humains de la Terre à Mars, car "il faut trop de temps pour que ces technologies se lèvent pour échapper à la vitesse", a ajouté Drake.
Néanmoins, un hybride de plusieurs technologies pourrait s'avérer très économique pour obtenir une mission habitée sur Mars. En fait, une combinaison de propulsion chimique, de propulsion ionique et d'aérocapture pourrait réduire la masse de lancement d'une mission Mars de 6 personnes à moins de 450 tonnes métriques (nécessitant seulement six lancements) - moins de la moitié de ce qui est réalisable avec la propulsion chimique seule.
Une telle mission hybride pourrait se dérouler comme suit: des fusées chimiques, comme d'habitude, feraient décoller le vaisseau spatial. Une fois en orbite terrestre basse, les modules d'entraînement ionique s'enflammeraient ou les contrôleurs au sol pourraient déployer une voile solaire ou plasma. Pendant 6 à 12 mois, le vaisseau spatial - temporairement sans pilote pour éviter d'exposer l'équipage à de fortes doses de rayonnement dans les ceintures de rayonnement Van Allen de la Terre - s'éloignait en spirale, accélérant progressivement jusqu'à une orbite finale haute de départ de la Terre. L'équipage serait ensuite transporté vers le véhicule de Mars dans un taxi à grande vitesse; un petit étage chimique donnerait alors un coup de pied au véhicule pour échapper à la vitesse, et il se dirigerait vers Mars.
Alors que la Terre et Mars tournent sur leurs orbites respectives, la géométrie relative entre les deux planètes change constamment. Bien que des opportunités de lancement sur Mars se produisent tous les 26 mois, les alignements optimaux pour les voyages les moins chers et les plus rapides possibles se produisent tous les 15 ans, le prochain étant prévu en 2018.
Peut-être que d'ici là, nous aurons une réponse différente à la question "Houston, sommes-nous encore là?"
Source d'origine: NASA Science Story
