Perfectionner la propulsion: comment amener les humains sur Mars

Avec des missions récentes sur Mars, comme Perseverance de la NASA, Hope des Émirats arabes unis et Tianwen-1 de la Chine, toutes étant des succès retentissants, vous pourriez être pardonné de penser que se rendre sur Mars est facile. Mais il y a une grande différence entre envoyer un rover ou un orbiteur sur la planète rouge et envoyer le type d'infrastructure et de technologie dont nous aurons besoin pour y établir une présence humaine.

La propulsion chimique nous a peut-être emmenés dans le système solaire, mais pour la prochaine phase de l'humanité l'exploration de l'espace, nous aurons besoin de nouvelles technologies de propulsion pour compléter celles que nous avons utilisées pour le 50 dernières années. Pour obtenir des détails sur ce à quoi pourrait ressembler une propulsion pour une expédition avec équipage vers Mars, nous avons parlé à Kareem Ahmed, professeur agrégé à le département de génie mécanique et aérospatial de l'Université de Floride centrale et un expert en propulsion de fusée de pointe systèmes.

Cet article fait partie de Vie sur Mars, une série en 10 parties qui explore la science et la technologie de pointe qui permettront aux humains d'occuper Mars

Fiable à l'ancienne: les systèmes de propulsion chimiques que nous utilisons maintenant

Pour envoyer une fusée voler à travers l'atmosphère terrestre et dans l'espace au-delà, vous avez besoin de beaucoup de poussée. Vous devez contrecarrer non seulement la friction de l'atmosphère terrestre, mais également l'importante force de gravité, qui ramène les objets au sol.

Depuis les années 1950, nous utilisons le même principe de base pour propulser les fusées, appelé propulsion chimique. Essentiellement, vous enflammez un propulseur (un mélange de carburant et d'un oxydant), qui crée de la chaleur. Cette chaleur fait se dilater le matériau à l'intérieur de la fusée, qui est ensuite expulsé de l'arrière de la fusée. Cette expulsion de propulseur crée une poussée, qui pousse la fusée vers le haut avec une force énorme, et cette force lui permet de vaincre les effets de la gravité et de s'échapper dans l'espace au-delà de notre planète.

"La propulsion à base de produits chimiques ne fait qu'ajouter de la chaleur aux propulseurs à des vitesses très rapides. Ce propulseur, une fois que vous l'avez à une température très élevée, il se dilate à une vitesse très élevée », a expliqué Ahmed. « Cette vitesse est fonction de la quantité de chaleur que vous mettez. Alors pensez-y comme lorsque vous avez une explosion, vous avez une énorme quantité de gaz qui se déplace rapidement. Et c'est la vitesse.

C'est le gros avantage de la propulsion chimique par rapport aux autres types de propulsion envisagés: La vitesse. La propulsion chimique aide les fusées à aller très, très vite. Mais ce n'est pas toujours l'option la plus efficace.

"Pensez-y comme une Prius contre une Corvette", a déclaré Ahmed. "Si vous voulez vous rendre très rapidement d'un point A à un point B, il est difficile de battre la propulsion chimique." Cependant, lorsque vous souhaitez être plus efficace, d'autres systèmes de propulsion peuvent s'avérer utiles. "Si vous essayez de vous rendre d'un point A à un point B à une vitesse raisonnable mais avec une efficacité élevée, la propulsion chimique n'est peut-être pas le bon outil."

Amélioration des systèmes de propulsion chimiques

Le principe de la propulsion chimique est peut-être resté le même depuis plusieurs décennies, mais cela ne signifie pas qu'il n'y a pas d'améliorations apportées à la technologie - comme la recherche sur différents types de carburant.

L'efficacité des types de carburant est une question de densité énergétique - la quantité d'énergie pouvant être stockée par une certaine quantité de carburant. C'est pourquoi il est difficile d'utiliser quelque chose comme l'hydrogène comme carburant, même s'il dégage beaucoup de chaleur dans les réactions chimiques, car il est si léger et a une faible densité. Il est difficile de stocker beaucoup d'hydrogène dans un petit espace, ce n'est donc pas un carburant très efficace.

Les fusées actuelles utilisent le plus souvent des carburants à base de kérosène – essentiellement la même chose que le carburéacteur – mais le grand domaine d'intérêt en ce moment concerne les carburants à base de méthane ou de gaz naturel. Ce carburant ne serait pas nécessairement plus efficace comme propulseur, mais il serait considérablement moins cher car le gaz naturel est abondant et nous avons déjà une technologie en place pour le collecter.

"Si SpaceX pouvait utiliser du gaz naturel pour faire voler son Falcon 9, il ferait beaucoup d'économies et accélérerait donc l'exploration spatiale", a déclaré Ahmed à titre d'exemple. "Si nous pouvions réduire le coût de sortie en orbite extérieure, cela rend l'espace plus accessible pour nous."

Un autre domaine de recherche concerne l'amélioration des moteurs eux-mêmes. L'équipe d'Ahmed est l'un des nombreux groupes travaillant sur un système appelé moteur de fusée à détonation rotative, qui pourrait générer plus de puissance avec moins de carburant par rapport aux moteurs traditionnels.

En contrôlant soigneusement la quantité d'hydrogène et d'oxygène introduite dans un moteur, la pression peut être créée plus efficacement. Cela peut réduire la taille d'un moteur de fusée en éliminant le besoin d'un compresseur très puissant, et il utilise également le carburant plus efficacement. La technologie est sur le point d'être bientôt utilisable: Ahmed dit que l'U.S. Air Force prévoit de tester un tel moteur d'ici 2025.

Pourquoi la propulsion chimique ne va nulle part

Pour décoller de la Terre, la propulsion chimique est indispensable. « À partir du niveau du sol, la propulsion à base de produits chimiques devient essentielle car vous avez besoin de cette quantité de puissance pour déplacer ce poids du sol jusqu'à une altitude plus élevée. Pour surmonter la force gravitationnelle », a expliqué Ahmed.

Il a cité l'exemple de SpaceX. Lorsque l'entreprise lance une fusée, pourquoi n'utilise-t-elle pas un système électrique comme celui utilisé par Tesla? Les deux sociétés appartiennent à la même personne, Elon Musk, elles pourraient donc sûrement partager des technologies. Mais un système de propulsion électrique ne peut pas générer la quantité de poussée nécessaire pour faire décoller une fusée – il ne produit tout simplement pas assez de puissance.

Nous devrons donc continuer à utiliser la propulsion chimique pour lancer des fusées dans un avenir prévisible. Mais cela change une fois qu'une fusée est en orbite. Une fois qu'il a surmonté la gravité terrestre et qu'il est dans l'espace, c'est comme utiliser le régulateur de vitesse. Le contrôle d'un vaisseau spatial dans l'espace nécessite relativement peu de poussée, car il n'y a pas de frottement de l'air ou d'attraction gravitationnelle vers le bas à gérer. Vous pouvez même utiliser les forces gravitationnelles des planètes et des lunes proches.

Ainsi, un système de propulsion différent peut prendre le relais pour des opérations plus efficaces.

Une option plus efficace: la propulsion électrique

Une fois qu'une fusée est en orbite, elle devra souvent effectuer des changements de trajectoire - de petits ajustements pour ajuster sa vitesse et s'assurer qu'elle se dirige dans la bonne direction. Cela nécessite un système de poussée. "Vous avez besoin de milliers de newtons juste pour piloter un véhicule, pour sortir de l'état de vitesse nulle et pour le faire monter et surmonter la force gravitationnelle du poids que vous portez. C'est pourquoi vous avez besoin d'un gros, gros système de fusée. Mais en orbite extérieure, vous n'avez plus de forces gravitationnelles qui vous influencent, vous avez juste votre vitesse terminale que vous essayez de surmonter », a expliqué Ahmed.

Et il existe de nombreuses façons de générer la force nécessaire pour ajuster la trajectoire d'un vaisseau spatial. "La poussée est la poussée", a-t-il dit. « Vous injectez de la masse. Vous jetez de la masse, donc cela vous déplace dans la direction opposée. C'est la quantité de masse et la vitesse à laquelle vous épuisez cette masse.

Une technologie souvent utilisée dans les petits satellites, ou petits satellites, est la propulsion électrique. Ils utilisent l'énergie électrique (souvent collectée grâce à des panneaux solaires) pour ioniser un gaz propulseur. Ce gaz ionisé est ensuite expulsé de l'arrière du satellite à l'aide d'un champ électronique ou magnétique, créant une poussée qui déplace l'engin spatial.

Il s'agit d'un système extrêmement efficace qui peut utiliser jusqu'à 90 % de carburant en moins que la propulsion chimique.

"Pour la propulsion électrique, votre masse est très petite et vous n'avez pas vraiment besoin de beaucoup de vitesse pour vous donner la poussée", a déclaré Ahmed. Et les systèmes de propulsion électroniques peuvent ioniser pratiquement n'importe quel matériau, de sorte qu'ils peuvent fonctionner avec tout ce qui est disponible.

L'éléphant dans la chambre: Propulsion nucléaire

Les gens sont souvent mal à l'aise avec l'idée de l'énergie nucléaire dans l'espace. Et il y a certainement des problèmes de sécurité qui doivent être pris en compte lors de l'utilisation de l'énergie nucléaire, en particulier pour les missions avec équipage. Mais la propulsion nucléaire pourrait bien être l'as qui nous permet de visiter des planètes lointaines.

"Le nucléaire est en fait très efficace", a expliqué Ahmed. Un système de propulsion nucléaire fonctionne à travers un réacteur qui génère de la chaleur, qui est ensuite utilisée pour chauffer un propulseur qui est expulsé pour créer une poussée. Il utilise ce propulseur beaucoup plus efficacement que la propulsion chimique.

Et c'est durable, ce qui est son grand avantage. "Un système à base de produits chimiques, vous brûlez du propulseur et l'épuisez, et vous ne l'avez plus", a déclaré Ahmed. « Vous avez libéré cette énergie et vous l'avez perdue. Par rapport à un système nucléaire, l'uranium ou le plutonium que vous allez utiliser est là et il ne va pas disparaître. C'est durable tant que vous entretenez votre réacteur principal.

Même si cette réaction est durable, la chaleur qu'elle génère doit encore être canalisée dans une masse. Vous ne voudriez pas épuiser l'uranium ou le plutonium utilisé dans la réaction. La chose utile est que le matériau chauffé peut être pratiquement n'importe quel gaz ou solide, bien que le gaz soit préférable car il réagit mieux à la chaleur.

Dans l'espace, il n'y a pas de gaz à utiliser, vous devrez donc toujours en apporter avec vous. Mais sur une planète avec une atmosphère, comme Mars, vous pourriez théoriquement utiliser des gaz facilement disponibles comme le dioxyde de carbone comme propulseur.

La NASA étudie actuellement les systèmes de propulsion nucléaire pour les missions vers Mars en particulier. "L'objectif de la NASA est de minimiser le temps que l'équipage voyage entre la Terre et Mars à aussi près que possible de deux ans. Les systèmes de propulsion nucléaire spatiale pourraient permettre des temps de mission totaux plus courts et offrir une flexibilité et une efficacité accrues aux concepteurs de missions », a déclaré l'agence. a écrit sur les systèmes nucléaires. Mais aucune décision ferme n'a encore été prise. "Il est trop tôt pour dire quel système de propulsion emmènera les premiers astronautes sur Mars, car il reste un développement important à faire pour chaque approche."

Ce n'est ni l'un ni l'autre; c'est tout ce qui précède

Nous en sommes encore aux premières étapes de la planification d'une mission avec équipage vers Mars. Nous devons tenir compte des exigences pratiques ainsi que des facteurs tels que le coût lorsqu'il s'agit de planifier nos prochaines étapes.

Ahmed ne pense pas qu'un système de propulsion va se révéler massivement supérieur aux autres. Au lieu de cela, il envisage une combinaison de différents systèmes utilisés en fonction des besoins spécifiques de la mission.

"Je dirais que les trois systèmes vont être nécessaires", a-t-il expliqué. "Vous n'avez pas un système de propulsion parfait qui s'adapte à toutes vos missions." Bien qu'il soit possible d'utiliser la propulsion chimique pour n'importe quelle mission, il est pas toujours approprié - il a comparé cela au fait de se rendre dans un bâtiment voisin en utilisant une Ferrari et de gaspiller beaucoup de carburant alors que vous pouviez simplement marcher.

Pour les missions en équipage vers Mars, "vous allez devoir utiliser le nucléaire, vous allez devoir utiliser l'électricité et les produits chimiques sans lesquels vous ne pouvez pas vous en sortir", a-t-il déclaré. Par exemple, vous pouvez utiliser un système de propulsion électrique pour livrer des cargaisons comme des habitats, utiliser la propulsion nucléaire mettre en place un système de relais fiable entre la Terre et Mars, puis envoyer vos astronautes à l'aide d'une propulsion chimique système. C'est parce que les humains sont, essentiellement, de gros morceaux de matériel. « Notre masse n'est pas légère! il a dit. «Nous sommes une masse importante, même pour quelques membres du personnel. Par conséquent, vous avez besoin de cette propulsion à base de produits chimiques.

Sommes-nous prêts pour Mars ?

L'organisation d'une mission avec équipage sur Mars comporte de nombreuses complexités. Mais en ce qui concerne les systèmes de propulsion, nous avons la technologie pour envoyer une mission là-bas demain.

"Les moteurs-fusées traditionnels basés sur les années 50 vous y mèneront", a déclaré Ahmed. Le facteur limitant s'avère être quelque chose de plus prosaïque. "La question est de savoir combien cela va vous coûter."

Envoyer des fusées sur Mars à l'aide de systèmes de propulsion à base de produits chimiques coûte tout simplement très, très cher. Et bien qu'il y ait à la fois un public et un appétit académique pour plus d'exploration de Mars, le montant d'argent disponible pour une telle mission n'est pas sans fin. Par conséquent, nous allons devoir développer et exploiter des technologies telles que les systèmes de propulsion électrique ou nucléaire pour rendre l'exploration plus abordable.

Même dans le domaine de la propulsion chimique, les développements de la technologie, comme les moteurs à détonation par rotation ou les nouveaux carburants, peuvent aider à réduire les coûts, ce qui favorisera davantage d'exploration. "Le défi consiste à développer des systèmes d'ingénierie plus économiques que les systèmes de fusée actuels", a-t-il déclaré. « La technologie des années 50 vous amènera sur Mars sans problème. C'est juste super, super cher. Et personne ne voudra payer pour ça. Mais la technologie est là. »

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