Top 10 des moteurs d’engins spatiaux conceptuels

Lancer un vaisseau dans l’espace est un processus coûteux et lent de science et d’ingénierie étranges. Fondamentalement, nous avons besoin de fusées, de moteurs extrêmes qui éjectent des échappements de propulseur à grande vitesse pour générer une poussée. Leur fonctionnement est un miracle technologique selon les normes du siècle dernier, mais les bases sont assez simples. À pression élevée, un allumeur déclenche l’explosion du carburant à l’intérieur d’une chambre de combustion avec une source d’oxygène (généralement liquide). Le fluide résultant s’échappe par la buse d’extrémité en tant que masse de réaction.

Contrairement aux jets aérobies, les fusées ne peuvent pas diffuser les gaz atmosphériques pour produire du mouvement, car à des hauteurs orbitales, l’atmosphère devient trop mince. Ainsi, un moteur-fusée doit propulser son propre fluide d’échappement pour obtenir une poussée. Cela semble simple, mais les problèmes techniques liés au projet, à la construction, à l’assemblage et au test des engins spatiaux opérationnels font monter en flèche le budget de tout lancement de satcom.

Apparemment, vaincre la gravité terrestre et atteindre l’espace extra-atmosphérique est la limite des fusées chimiques actuelles, qui utilisent la réaction exothermique comme propulsion. Heureusement, la science appliquée consiste moins à combattre la physique qu’à trouver comment faire fonctionner ses lois favorablement. Voici 10 concepts de moteurs de vaisseaux spatiaux qui pourraient élargir les horizons de l’humanité.

10. Turboréacteur synergique

Une méthode pour construire des engins spatiaux moins chers pourrait être l’approche à un étage vers l’orbite (SSTO), un système de propulsion conceptuel qui ne repose pas sur le matériel de largage pour atteindre la hauteur orbitale. Il utiliserait l’air atmosphérique lors du lancement pour alimenter la réaction de combustion du moteur, ce qui évitera de transporter un oxydant supplémentaire et donc de réduire le poids.

Suite à cette proposition, la société britannique Reaction Engines Limited (REL) a conçu son avion spatial Skylon pour qu’il fonctionne à l’aide de SABRE, un concept de moteur aérobie. Pour ne compter que sur son propre matériel interne pour obtenir la poussée, SABRE pourra basculer entre deux modes de fonctionnement : un turboréacteur typique reposant sur l’air atmosphérique pour alimenter la combustion interne, et un moteur-fusée conventionnel utilisant l’alimentation en oxygène liquide.

REL a publié une proposition de voyage habité vers Mars qui utiliserait le vaisseau spatial Skylon pour construire les navires de mission en orbite.

9. Fusée nucléaire thermique

Rosatom, une société d’État russe qui gère les affaires nucléaires internes, construit un moteur-fusée qui ne prendrait que 45 jours pour voyager de la Terre à Mars (contre 18 mois actuellement). Une telle technologie sera similaire aux fusées nucléaires thermiques (NTR) URSS conçues pendant la guerre froide. À l’intérieur d’un réacteur embarqué, l’énergie libérée par la division des atomes surchauffe le fluide de travail pour créer une haute pression, et donc une poussée, comme ce que font les réactions de combustion du propulseur dans une fusée chimique. Du fait de la densité énergétique du combustible nucléaire, les moteurs NTR sont plus légers et consomment peu.

De même, la NASA a relancé son projet NTR 40 ans après la fermeture du programme NERVA, mais l’agence spatiale envisage également un éventail plus large de possibilités impliquant l’énergie nucléaire, comme les fusées à fusion et les ampoules nucléaires.

8. Entraînement thermique antimatière

Chaque substance physique dans l’univers est composée de matière; la matière est constituée de particules, et pour chaque particule, il y a une jumelle noire, l’antiparticule. Une antiparticule a tous les traits de son homologue, sauf la charge opposée. Lorsque les deux jumeaux interagissent, ils s’annihilent et libèrent de l’énergie dans le processus, beaucoup d’énergie. Les scientifiques de la NASA veulent utiliser ce pouvoir pour propulser les moteurs de fusée à l’ère des voyages interstellaires.

Comme pour les NTR, l’annihilation de l’antimatière chaufferait le fluide de travail pour générer une poussée, mais avec un rendement énergétique exponentiellement supérieur. 100 milligrammes d’antimatière suffisent pour atteindre Mars, alors qu’une fusée chimique aurait besoin de tonnes de propulseur pour une mission habitée. Des chercheurs veulent même financer un vaisseau antimatière sur Kickstarter.

7. Propulsion nucléaire par impulsions

Que diriez-vous d’un voyage vers Alpha Centauri larguant des bombes atomiques sur le chemin pour propulser votre vaisseau spatial ? La propulsion par impulsions nucléaires est peut-être la voie la plus réalisable vers le voyage interstellaire. Lancé en 1958 en tant qu’entreprise DARPA, Project Orion avait envie de construire un véritable vaisseau d’opéra spatial – construction de style sous-marin, 200 membres d’équipage, des milliers de tonnes de poids au décollage – et de le lancer en orbite à l’aide de la propulsion par impulsions nucléaires. Tout est viable, théoriquement et techniquement parlant.

Un moteur Orion pouvait produire des mégatonnes de poussée dirigeant de petites explosions nucléaires contre une plaque d’acier massive reliée au vaisseau spatial avec des amortisseurs de chocs, mais les problèmes politiques et budgétaires se sont avérés être des problèmes pires que les obstacles mécaniques. Le projet Orion a été fermé en 1965 après plusieurs réalisations, cependant, des concepts similaires comme le vaisseau spatial Medusa et la propulsion par fission antimatière sont toujours à l’étude.

6. Micropropulsion de nanoparticules

Charger électriquement les molécules propulsives puis les stimuler à travers des champs magnétiques est un moyen extrêmement efficace de propulser les engins spatiaux. Malgré la faible force d’impulsion, les propulseurs ioniques sont plusieurs fois plus économes en énergie que les fusées chimiques et finissent par correspondre à la propulsion exothermique à long terme. Soit dit en passant, c’est le système qui a propulsé le vaisseau spatial Dawn jusqu’à Vesta et Ceres.

Financé par l’Air Force Office of Scientific Research, l’Université du Michigan développe un propulseur ionique expérimental appelé NanoFET. Le moteur déclencherait des milliards de nanoparticules propulsives via des systèmes nanoélectromécaniques, ouvrant un concept de propulseur sur puce capable de propulser les satellites miniaturisés de demain. Les grilles de modules NanoFET pourraient être adaptées et augmentées de manière flexible pour répondre à différentes conceptions et besoins d’ingénierie.

5. Q-Propulseur

Les fusées expulsent le propulseur (action) pour obtenir une poussée (réaction) conformément à la troisième loi de Newton, mais que se passerait-il si un entraînement pouvait enfreindre cette règle fondamentale de la nature ? Roger Shawyer, un ingénieur aérospatial britannique, croyait que c’était parfaitement possible lorsqu’il a proposé en 1999 un moteur sans réaction appelé propulseur à cavité résonnante radiofréquence ou simplement EmDrive (Electromagnetic Drive). Un EmDrive ferait rebondir les micro-ondes à l’intérieur d’un cône pour produire une poussée vers l’extrémité étroite. L’expérience a créé une controverse dans la communauté scientifique même après que des chercheurs chinois, allemands et de la NASA aient reproduit les procédures de Shawyer avec des résultats positifs.

Le fonctionnement exact d’EmDrives reste à la limite de la physique. La théorie de la fluctuation quantique dit que le vide pétille avec des particules énergétiques qui entrent et sortent de la réalité. En interagissant avec ces particules par le biais de micro-ondes, il serait possible qu’un vaisseau obtienne une poussée.

L’EmDrive a créé un tout nouveau concept de moteurs de fusée connus sous le nom de propulseurs à vide quantiques (propulseurs Q).

4. Propulseur laser photonique

Young K. Bae est titulaire d’un doctorat. Dr. physicien fondateur de YK Bae Corp, une entreprise dédiée à la recherche de technologies «vertes» dans les domaines de l’énergie et des voyages spatiaux. Les brevets de Bae incluent les chemins de fer photoniques, une nouvelle classe moléculaire et le Photonic Laser Thruster (PLT). Bae a étudié le PLT avec un financement de la NASA et a pu concevoir un concept de pilote spatial qui n’aurait pas besoin de transporter des réservoirs de carburant. Au lieu de cela, le PLT recevra sa poussée de lasers tirés sur le vaisseau spatial. Étant donné que le vide est sans frottement, un engin piloté par PLT gagnerait régulièrement en élan pour parcourir la distance jusqu’à Mars en quelques jours.

Les développements dans la technologie de l’énergie dirigée seront cruciaux pour fournir des faisceaux laser de plusieurs mégawatts capables de propulser un vaisseau spatial dans l’espace, permettant une architecture exempte de composants lourds, tels que le carburant et les alimentations principales.

3. Lanceur spatial Coilgun

Les écrivains de science-fiction, tels qu’Arthur C. Clarke et Robert Heinlein, ont compté sur les catapultes électromagnétiques comme dispositifs d’intrigue pendant des décennies. Même aujourd’hui, accélérer magnétiquement une charge utile à des centaines de kilomètres au-dessus de la Terre peut sembler de la science-fiction pure, et pourtant des scientifiques comme le Dr James Powell et le Dr Gordon Danby pensent que cela fera partie de l’avenir du voyage spatial. Powell et Danby ont co-inventé le maglev supraconducteur (suspension magnétique), permettant le développement des trains EM actuels, et maintenant ils veulent appliquer la technologie dans les voyages spatiaux à travers leur projet Startram.

Dans la vision de Powell et Danby, les bobines produiraient un champ magnétique puissant pour propulser un vaisseau spatial ou une charge utile à grande vitesse sur des kilomètres de chemin de fer, de la même manière que ce qui arrive au projet d’un coilgun. Pour atteindre un élan suffisant, la piste aura plusieurs kilomètres de longueur et coûtera des dizaines de milliards de dollars, mais, selon ses inventeurs, c’est un petit prix à payer pour l’avenir.

2. Coupe-vent stellaire

Le Soleil, comme toute autre étoile, projette constamment des particules chargées, une véritable tempête de protons et d’électrons à grande vitesse. Une telle pression de rayonnement peut pousser contre un champ magnétique et générer une poussée.

Après une décennie d’errance spatiale, un vaisseau spatial sunjammer serait capable de franchir les frontières lointaines de notre système solaire sans gaspiller de carburant, en manœuvrant dans des champs magnétiques et gravitationnels exoplanétaires pour calibrer sa trajectoire. La direction de la poussée pouvait être ajustée en changeant la voile en fonction du vent solaire.

Étant donné que la force propulsive dépendrait de la taille du champ magnétique, une voile solaire aurait besoin de centaines de mètres et de kilomètres de matériau supraconducteur pour produire son champ magnétique, ressemblant à des boucles cyclopéennes de fil au lieu des toiles de capture du vent de l’ère de la navigation.

La NASA prévoit de déployer une voile solaire en 2018 lors du survol de l’astéroïde Scout.

1. Alcubière Drive

Les équations de champ d’Einstein indiquent que l’énergie et la matière peuvent courber le maillage spatio-temporel de la réalité. De manière spéculative, en étirant le tissu de l’espace derrière un navire et en contractant l’espace devant lui, il est possible d’obtenir un voyage apparent FTL (plus rapide que la lumière). Bien sûr, ce serait l’espace qui se déplacerait et non le vaisseau, comme un jeu de défilement, donc aucune loi relativiste ne serait enfreinte. Roulant sur une bulle de distorsion d’ondes spatio-temporelles, notre vaisseau peut atteindre des vitesses de plusieurs ordres de grandeur supérieures à celle de la lumière. Nous pourrions même nous rendre sur Mars en moins d’une seconde, mais je pense que la décélération serait un problème !

Le lecteur d’Alcubierre ou simplement le lecteur de distorsion a été proposé par le physicien mexicain Miguel Alcubierre comme solution aux équations de champ d’Einstein, qui stipule que l’énergie et la matière peuvent courber le maillage de l’espace-temps. En utilisant un champ de masse inférieure à zéro, le moteur de distorsion entraînerait la torsion et le défilement du tissu de l’espace.