Top 10 des moteurs d’engins spatiaux conceptuels

Lancer un navire 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 gaz d'échappement à grande vitesse pour générer de la 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 réactionnelle.

Contrairement aux jets respiratoires, les fusées ne peuvent pas diffuser les gaz atmosphériques pour produire du mouvement, car à des hauteurs orbitales, l'atmosphère devient trop mince. Un moteur-fusée doit donc 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 vaisseaux spatiaux opérationnels font monter en flèche le budget de tout lancement de satcom.

Apparemment, surmonter 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 lutter contre la physique qu'à trouver comment faire fonctionner ses lois favorablement. Voici 10 concepts de moteurs spatiaux susceptibles d'élargir les horizons de l'humanité.

10 turboréacteur synergique

Une méthode pour construire un vaisseau spatial moins cher pourrait être l'approche à un étage en 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 une telle proposition, la société britannique Reaction Engines Limited (REL) a conçu son avion spatial Skylon pour qu'il fonctionne en utilisant SABRE, un concept de moteur respiratoire. 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 une alimentation en oxygène liquide.

REL a publié une proposition de voyage habité vers Mars qui utiliserait un 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 de fusée qui ne prendrait que 45 jours pour voyager de la Terre à Mars (contre 18 mois actuellement). Cette technologie sera similaire aux fusées thermiques nucléaires (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 de propulseur dans une fusée chimique. En raison de la densité énergétique du combustible nucléaire, les moteurs NTR pèsent moins et ont un faible taux de consommation.

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

8 Lecteur d'antimatière thermique

Toute substance physique de l'univers est composée de matière; la matière est constituée de particules, et pour chaque particule, il y a un jumeau noir – l'antiparticule. Une antiparticule a tous les traits de son homologue, sauf la charge opposée. Lorsque les deux jumeaux interagissent, ils s'annihilent et laissent échapper de l'énergie dans le processus, beaucoup d'énergie. Les scientifiques de la NASA veulent utiliser cette puissance pour propulser les moteurs de fusée dans l'ère du voyage interstellaire.

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, tandis qu'une fusée chimique aurait besoin de tonnes de propulseur pour une mission habitée. Les chercheurs veulent même financer un vaisseau d'antimatière sur Kickstarter.

7 Propulsion par impulsions nucléaires

Que diriez-vous d'un voyage à Alpha Centauri lâchant des bombes atomiques sur le chemin de 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 de la DARPA, le projet Orion avait soif 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 le lancer en orbite à l'aide de la propulsion par impulsions nucléaires. Tout est viable, théoriquement et techniquement parlant.

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

Micropropulsion à 6 nanoparticules

Charger électriquement des molécules de propulseur, puis les amplifier à travers des champs magnétiques est un moyen extrêmement efficace de propulser les engins spatiaux – malgré la minuscule force d'impulsion, les propulseurs ioniques sont plusieurs fois plus écoénergétiques que les fusées chimiques et finissent par correspondre à la propulsion exothermique à long terme. Au fait, c'était le système qui a propulsé le vaisseau spatial Dawn jusqu'à Vesta et Ceres.

Financé par le Bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air, l'Université du Michigan développe un propulseur ionique expérimental appelé NanoFET. Le moteur déclencherait des milliards de nanoparticules propulsives grâce à des systèmes nanoélectromécaniques, ouvrant un concept de propulseur sur puce capable de propulser les satellites miniaturisés de demain. Les grilles de modules NanoFET peuvent être adaptées et augmentées de manière flexible pour répondre à différentes conceptions et besoins d'ingénierie.

5 Q-Thruster

Les roquettes 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 de base de la nature? Roger Shawyer, un ingénieur aérospatial britannique, pensait que c'était parfaitement possible quand, en 1999, il proposa un moteur sans réaction appelé propulseur à cavité résonnante à 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 des EmDrives reste exactement à la limite de la physique. La théorie de la fluctuation quantique dit que le vide pétille avec des particules énergétiques entrant et sortant de la réalité. En interagissant avec ces particules à travers les micro-ondes, il serait possible qu'un navire reçoive une poussée.

L'EmDrive a créé un tout nouveau concept de moteurs de fusée connu sous le nom de propulseurs à vide quantique (propulseurs Q).

4 propulseurs laser photoniques

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 comprennent les chemins de fer photoniques, une nouvelle classe moléculaire et le propulseur laser photonique (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 friction, un engin propulsé par PLT gagnerait régulièrement de l'élan pour parcourir la distance jusqu'à Mars en quelques jours.

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

3 Lanceur Spatial Coilgun

Les écrivains de science-fiction, comme Arthur C. Clarke et Robert Heinlein, considèrent les catapultes électromagnétiques comme des intrigues depuis des décennies. Même aujourd'hui, accélérer magnétiquement une charge utile à des centaines de kilomètres au-dessus de la Terre peut sembler pure science-fiction, 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 ils veulent maintenant appliquer la technologie aux voyages dans l'espace 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 fusil à bobine. 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 Windjammer stellaire

Le soleil, comme toute autre étoile, jaillit constamment des particules chargées – une véritable rafale 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 traverser les frontières lointaines de notre système solaire sans gaspiller de carburant, manœuvrant dans des champs magnétiques et gravitationnels exoplanétaires pour calibrer sa trajectoire. La direction de la poussée peut être ajustée en changeant la voile en fonction du vent solaire.

Étant donné que la force de propulsion 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 de l' enquête de survol d'Asteroid Scout.

1 promenade Alcubierre

Les équations de champ d'Einstein indiquent que l'énergie et la matière peuvent courber le maillage de l'espace-temps 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 de réaliser un voyage FTL apparent (plus rapide que la lumière). Bien sûr, ce serait l'espace en mouvement et non le vaisseau, comme un jeu de défilement, donc aucune loi relativiste ne serait violée. Chevauchant une bulle de distorsion des 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 Alcubierre ou simplement le lecteur de distorsion a été proposé par le physicien mexicain Miguel Alcubierre comme une 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 lecteur de chaîne ferait tourner et défiler la structure de l'espace.