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La propulsion nucléaire dans l'espace

  • Posté le : Lundi 19 Décembre 2005
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  • par : P. de Brem
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  • Expert : X. Raepsaet
  • Actualisé le : Lundi 4 Mai 2009
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Selon certains ingénieurs, une exploration poussée du système solaire ne pourra pas se faire sans révolutionner les modes de propulsion des vaisseaux spatiaux. Il faudra embarquer des réacteurs nucléaires. Mais cette solution est controversée. Le point avec Xavier Raepsaet, expert du CEA.

Engin spatial à propulsion nucléaire thermiqueUn engin spatial équipé d’un réacteur à propulsion nucléaire thermique aurait une énergie sans limite et une plus grande souplesse d’utilisation.
© NASA

Bien sûr, nous, Terriens, envoyons déjà des satellites tout autour de notre planète. Et nos sondes spatiales sillonnent le système solaire. Mais, demain, nous voudrons sans doute faire mieux : aller plus loin, plus vite, de manière plus souple. Alors il faudra passer à d’autres modes de propulsion.

Toutes les techniques de propulsion sont basées sur le même principe, dit de réaction : envoyez de la matière dans un sens (action) et vous exercerez une poussée dans l’autre (réaction). Ainsi un ballon s’envole-t-il vers le haut lorsque l’air qu’il contient est libéré vers le bas.

Aujourd’hui, la propulsion chimique utilisée pour les véhicules spatiaux atteint ses limites. Son principe est simple. Prenez le lanceur Ariane 5 : dans un premier temps, on mélange hydrogène et oxygène liquides, deux substances qui ont un fort pouvoir détonant dès qu’on les met en présence l’une de l’autre. D'autres lanceurs comme le russe Soyouz, conçu dans les années cinquante, emploient le kérosène et l'oxygène. Le résultat est le même : dans l'un et l'autre cas, la combustion de ces substances produit des gaz qu'on éjecte de manière à exercer une poussée suffisante pour faire décoller la fusée. Mais cela fait des décennies que cette solution est exploitée - elle l'était déjà lors des missions Apollo dans les années soixante-dix - sans que son efficacité soit profondément améliorée. Certes, elle permet d’atteindre des vitesses élevées dans un temps très court ; mais les ergols utilisés - c’est-à-dire les carburants - sont vite consommés. L’utilisation de tels systèmes propulsifs est donc limitée.

C’est là qu’interviennent les ingénieurs et leurs rêves de nouveaux modes de propulsion. Un petit réacteur nucléaire pourrait être incorporé dans les sondes spatiales afin de produire de l’électricité. C'est ce qu'on appelle la propulsion nucléaire électrique. Ou, mieux encore, ce réacteur nucléaire pourrait servir à chauffer un gaz qui serait ensuite éjecté dans l’espace. Dans ce cas, il s'agirait de propulsion nucléaire thermique. Ces systèmes offriraient aux engins qui en seraient pourvus une réserve d’énergie considérable.

Mais ces deux solutions présentent des risques pour l’environnement. Que se passera-t-il si la fusée explose au décollage ? Des matières fissiles risquent-elles d’être éparpillées au sol ? Les ingénieurs ont pris ces inquiétudes en compte, et ils leur apportent des réponses concrètes.

01.Vitesse et souplesse avec la propulsion nucléo-électrique

Quel serait l’intérêt d’un réacteur nucléaire dans l’espace ? Il offrirait à un engin spatial une énergie sans limite, ou presque, et lui permettrait de réaliser des prouesses inimaginables à l’heure actuelle. Aujourd’hui, lorsqu’il s’agit de rejoindre une planète lointaine, une sonde doit faire plusieurs fois le tour de la Terre, ou d’autres planètes, afin d’acquérir suffisamment de vitesse par effet de fronde. La sonde européenne Rosetta, qui a quitté notre planète en mars 2004, a ainsi réalisé trois survols de la Terre (en 2005, 2007 et 2009) et un de la planète Mars (en 2007). En contrepartie, elle mettra quatorze ans avant d’atteindre la comète qu’elle doit étudier. Oui, quatorze années ! Alors que la propulsion nucléaire lui aurait permis de s’y rendre "en ligne droite" en quelques dizaines de mois seulement.

Mission JIMOLa mission JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter, navette spatiale destinée à orbiter autour des Lunes Glacées de Jupiter) de la NASA devait emporter un moteur nucléoélectrique. Très Coûteuse elle a finalement été abandonnée courant 2005.
© NASA/JPL
 La propulsion nucléaire n'est pas de la science-fiction. Des réacteurs nucléaires équipant des satellites ont déjà été envoyés dans l’espace. La Russie en a lancés 34, de 1970 à 1988, et les États-Unis un seul, en 1965. "Ces réacteurs produisaient de l’électricité pour alimenter des satellites d’observation de la Terre. À l’époque, l’électronique embarquée réclamait tant d’énergie qu’un réacteur nucléaire devenait nécessaire," explique Xavier Raepsaet, ancien expert en systèmes nucléaires spatiaux au SERMA (Service d’étude des réacteurs et mathématiques appliquées) du CEA, à

Saclay (Essonne). Le CEA avait d’ailleurs mené des études conséquentes sur ce thème dans les années quatre-vingts, avec un projet nommé ERATO.

Mais, aujourd’hui, ce type de réacteur est plutôt envisagé pour être couplé à un moteur innovant, dit ionique. Dans ces moteurs, un gaz (par exemple du xénon) est ionisé. Les particules de ce gaz, accélérées dans un champ électrique - dont la production réclame beaucoup d’énergie -, sont ensuite relâchées à grande vitesse pour obtenir la poussée qui permet à l’engin de se mettre en mouvement.

La propulsion nucléaire électrique présente un grand avantage : ses moteurs peuvent exercer leur poussée pendant cinq, voire dix ans, sans jamais s’arrêter. Il y a toujours assez de gaz propulseur et d’énergie nucléaire pour les alimenter. Mais, revers de la médaille, cette poussée est relativement faible. Cette technologie permet donc de se déplacer à de très hautes vitesses… qu’on ne peut atteindre que relativement lentement. Pour atteindre des niveaux de poussées raisonnables, il faut multiplier les propulseurs électriques, gros consommateurs d’énergie, d’où le recours au réacteur nucléaire.

Récemment, la Nasa comptait relancer cette technologie à l’occasion d’une mission vers Jupiter baptisée JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter). Il s’agissait de survoler trois des lunes de cette planète avec un véhicule étonnant, long de 30 mètres, et capable - grâce à son importante réserve d’énergie - de changer d’orbite afin de gagner une liberté totale dans ses déplacements. En raison de son système de propulsion innovant, JIMO ne ressemblait à aucun engin connu. À l’avant, fixé au bout d’un long mât, se trouvait le réacteur nucléaire. Le long de ce mât figuraient des radiateurs servant à son refroidissement. Puis, à l’arrière, se situait le moteur ionique et les instruments scientifiques. Mais, pour des raisons budgétaires, la mission JIMO a été abandonnée en juin 2005.

02.Mieux encore : la propulsion nucléothermique

Visuel d’un propulseur nucléothermiqueDe l’hydrogène liquide est stocké dans le réservoir. Il s’échauffe en passant à proximité du cœur radioactif brûlant et se transforme en un gaz qu’il suffit d’éjecter pour obtenir une forte poussée. C’est la propulsion nucléothermique.
© A. Szames /CNES-DLA/Antigravité
Tant la propulsion chimique classique, que celle nucléoélectrique, présentent donc des inconvénients. C’est pourquoi certains ingénieurs rêvent à une autre technologie, qui ne pourrait intervenir avant quinze à vingt ans : la propulsion nucléothermique.

À nouveau, l’idée consiste à exploiter un petit réacteur nucléaire. Mais il ne s’agit pas de lui faire produire de l’électricité. Cette fois, on exploite directement la chaleur des réactions de fission qui ont lieu dans le cœur du réacteur. De l’hydrogène liquide serait pompé depuis un réservoir et passerait dans des canalisations proches du cœur radioactif brûlant. Ainsi réchauffé, l’hydrogène se transformerait instantanément en un gaz à haute température, environ 2 500 °C, qui serait éjecté dans l’espace. "Plus les températures atteintes par le cœur radioactif sont élevées, plus la vitesse d’éjection est importante," explique Xavier Raepsaet. Il est donc important d’atteindre des niveaux de chaleur extrêmes pour optimiser les performances du système de propulsion.

La poussée obtenue par un tel moteur serait comparable à celle d’un moteur classique. Mais il consommerait deux fois moins de "carburant". "Au lieu de six mois, un vaisseau habité qui se rendrait sur Mars ne mettrait que huit semaines à atteindre son objectif, estime Xavier Raepsaet. Le voyage vers la planète rouge deviendrait ainsi humainement supportable."

Mais certains combustibles nucléaires présentent des limites. Par exemple, l’uranium 235, matière principale des cœurs des réacteurs destinés à la production d’électricité sur Terre, ne peut monter à plus de 2 800 °C. Car, à cette température, il est susceptible de fondre et de percer la cuve où il est confiné. Donc de détruire l’engin même qu’il est censé aider à propulser. De nouveaux combustibles doivent donc être développés. Ils pourraient être composés de carbure d’uranium, par exemple - où un atome d’uranium est associé à deux atomes de carbone - car de tels matériaux ne fondent qu’à 3 500 °C. Mais l’Europe ne maîtrise pas la fabrication de tels combustibles. Et il faudrait une quinzaine d’années de recherche pour y parvenir.

03.Des projets français dans les cartons

Ces nouveaux systèmes de propulsion nucléaire thermique sont-ils donc condamnés à demeurer dans les cartons des ingénieurs ? Peut-être pas. Le SERMA a réalisé une étude, baptisée MAPS (Moteur atomique de propulsion spatiale), au début des années quatre-vingt-dix, en prenant une hypothèse plus que raisonnable : un cœur porté à 1 900 °C seulement, susceptible d’être conçu, testé et validé en quelques années, utilisant des combustibles couramment employés dans la filière nucléaire. Bref, un système "tout à fait réalisable", comme le résume Xavier Raepsaet.

Le résultat des calculs montre qu’il est possible de réaliser un système de propulsion relativement performant, suffisant pour remplir une mission de "remorquage spatial". La remorqueuse en question serait capable de faire la navette entre la Terre et la Lune pour transporter des charges diverses.

Projet KosmosLe véhicule Kosmos (sur la droite) conçu par le CEA et qui exploite la chaleur de l’énergie nucléaire aurait permis de réaliser des transports Terre-Lune aller-retour. Sur cette figure, il convoie un autre vaisseau (sur la gauche).
© CIST Projet 335

Mais un nouvel écueil est apparu. Ce système de propulsion pourrait s’avérer un peu plus difficile à piloter qu’un moteur classique. "Quand on stoppe le moteur, il reste toujours un peu de chaleur résiduelle dans le cœur radioactif, note Xavier Raepsaet. Une chaleur qu’il est indispensable d’évacuer, à moins de prendre le risque qu’elle s’accumule et fasse monter la température du cœur jusqu’à sa fusion" - un accident grave qui ferait échouer la mission. Or, c’est le flux d’hydrogène qui, en captant une partie de la chaleur du cœur, permet son refroidissement. On est donc obligé de maintenir une circulation de ce carburant dans le moteur, qui du coup continue d’exercer une poussée faible (environ 0,1 % de la poussée maximale) mais significative dans l’espace, alors même qu’il a été éteint quelques minutes plus tôt. Ce qui complique quelque peu la précision des manœuvres du vaisseau. D’autres solutions, s’appuyant sur une boucle de refroidissement indépendante pour évacuer cette puissance résiduelle, sont tout à fait envisageables ; mais bien sûr au détriment de la simplicité du système.

04.Quels risques pour l'environnement ?

Le jour où un pays décidera de développer la propulsion spatiale nucléaire, se posera une question centrale : quel danger ce choix technologique représente-t-il pour l’environnement et la santé des êtres vivant sur Terre ? En fait, ce problème s'est déjà posé puisque des réacteurs nucléaires ont équipé des satellites russes et américains par le passé. Et le risque de les voir se désintégrer dans l’atmosphère terrestre en éparpillant des matières radioactives est bien réel. Il s'est même déjà produit : en 1978, un satellite d’observation de la Terre, baptisé Kosmos 954, a fait une rentrée atmosphérique "non contrôlée", se désintégrant en altitude. Dans l’accident, l’engin a libéré des corps radioactifs sur une vaste zone du nord canadien pratiquement inhabitée mais qu’il a fallu décontaminer.

Et ce n’est pas tout. Ce type d’accident peut également se produire avec des sondes qui n’emportent pas de réacteur nucléaire. Il suffit qu’elles contiennent des matières radioactives pour qu’un risque existe. Or, une trentaine d’appareils de type RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator, Générateur thermoélectrique radioisotopique) et RHU (Radioisotope Heater Unit, Unité radioisotopique de production de chaleur) ont été envoyés dans l’espace - et le sont encore parfois. Il s’agit de systèmes - dont seuls les Russes et les Américains maîtrisent actuellement la fabrication - contenant un corps radioactif, le plutonium 238. Les RTG exploitent la chaleur spontanément dégagée par cette substance (500 watts thermiques par kilo de matière ou ~ 25 We/kg) pour produire l’électricité nécessaire aux ordinateurs de bord, aux systèmes de télécommunication, etc. Les RHU, quant à eux, profitent de cette chaleur pour réchauffer des équipements situés sur des sondes et particulièrement exposés au froid glacial de l’espace.

Sonde Cassini-HuygensÀ l’occasion du décollage de la mission Cassini-Huygens en 1997, puis de son survol de la Terre en 1999, les écologistes américains ont dénoncé l’utilisation du plutonium 238 dans l’espace.
© ESA

Ainsi, la sonde Cassini qui explore actuellement le système saturnien est équipée de trois RTG. Dans son cas, la solution classique de production d’électricité - des panneaux solaires - n’a pu être retenue car l’appareil évolue dans une zone où le rayonnement du Soleil est trop faible. En 1997, le lancement de Cassini dans l’espace a d’ailleurs fait l’objet d’une polémique : des organisations écologistes ont dénoncé le risque qu’il faisait prendre, selon eux, à la Terre et à ses habitants.

L’Histoire ne leur donne pas tout à fait tort. Des accidents impliquant des appareils équipés de RTG se sont déjà produits. Le premier a eu lieu en 1964 : le satellite américain Transit 5BN-3 s’est désintégré en vol, ce qui a conduit à la dispersion d’un kilo de plutonium dans l’atmosphère. À une époque où les essais nucléaires à l’air libre étaient monnaie courante et libéraient quelques dizaines de milliers de curies à chaque fois, les quelques 17 000 curies de Transit 5BN-3 comptaient pour peu de choses. "Mais aujourd’hui, ce genre de situation n’est plus acceptable," estime Xavier Raepsaet, qui poursuit : : "Sept accidents concernant des appareils spatiaux dotés de RTG ou de réacteurs nucléaires se sont produits. C’est très supérieur à ce qu’on tolère pour des réacteurs terrestres."

Et dans l’espace, faut-il craindre un accident avec par exemple un débris qui pourrait provoquer une explosion du réacteur ? "Il n’y a pas de raison de parler d’explosion en cas de collision avec un débris, remarque le spécialiste. Le choc provoquerait, comme avec un satellite classique, une dislocation et une dispersion des morceaux mais en aucun cas un démarrage et un emballement de la réaction en chaîne dans le réacteur qui conduiraient à une explosion nucléaire." Les morceaux dispersés seraient non radioactifs si le cœur du réacteur n’a pas fonctionné, ou radioactifs dans le cas contraire. Dans ce dernier cas, "ce qui compte, c’est la durée de vie d’un débris sur une orbite haute, c’est-à-dire le temps avant lequel sa retombée sur Terre peut être envisagée. Il suffit alors de choisir l’altitude de l’orbite en adéquation avec le temps nécessaire à la décroissance radioactive pour un retour à un niveau de radioactivité faible."

05.Des solutions pour une sûreté acceptable

 Pour Xavier RGénérateur radio-isotopiquesLes générateurs radio-isotopiques (Radio-isotopie Thermoelectric Generator, RTG) exploite la chaleur dégagée par le plutonium 238, corps radioactif, pour produire de l’électricité. Entièrement statiques et ayant une durée de vie de 10 ans, ces générateurs sont les dispositifs les plus aptes à fournir l'énergie électrique indispensable aux engins spatiaux pour des missions de longue durée.
© NASA
aepsaet, il existe des solutions techniques permettant d’envoyer des réacteurs,
des RTG ou des RHU, avec un niveau de sûreté acceptable. Par exemple, les RTG utilisés aujourd’hui sont confinés dans des enceintes capables de résister à l’échauffement qui se produirait lors d’un retour accidentel dans l’atmosphère terrestre. Ainsi ne devrait-on plus jamais assister à une dispersion radioactive comme celle qui a concerné Transit 5BN-3.

Reste la question des réacteurs nucléaires. Considérant qu’elle méritait une attention spéciale, l’ONU a voté une résolution la concernant en 1992. Ce texte interdit qu’ils fonctionnent au plutonium, ce corps étant radioactif et toxique - mais il ne condamne pas l’emploi de cette matière pour les RTG et les RHU. Les futurs réacteurs devront donc fonctionner à l’uranium, qui n’est pas radioactif tant que le réacteur n’a pas fonctionné, mais qui reste toxique au même titre que le plomb et les autres métaux lourds.

L’organisme international a également exigé que ces réacteurs ne soient pas "allumés" - les spécialistes disent qu’il ne faut pas qu’ils aient "divergé" - avant de se trouver dans l’espace et que leur orbite ait été stabilisée. Ce qui interdit que des fusées tirées depuis la Terre utilisent jamais l’énergie nucléaire pour décoller.

En revanche, le problème reste entier pour les réacteurs qui ont "divergé" car leur cœur est alors devenu potentiellement dangereux. Imaginons une mission habitée à destination de Mars. Une zone de la planète rouge serait durablement contaminée si le vaisseau qui transporte les astronautes s’y écrasait par accident. Certains y voient une catastrophe potentielle, car une planète vierge comme Mars doit selon eux rester intacte.

Un autre problème préoccupe davantage Xavier Raepsaet : le retour sur Terre d’une telle mission. Car il faudra bien que ces astronautes reviennent chez eux. Pour cela, la trajectoire de leur vaisseau devra croiser l’orbite de la Terre. Mais, là encore, une solution existe : le vaisseau en question visera légèrement "à côté" de notre planète. L’engin pourra alors se placer sur une orbite de sûreté à définir (environ 1 000 kilomètres d’altitude), d’où il lui faudrait des centaines d’années avant de retomber sur Terre, le temps que le réacteur ait perdu sa radioactivité. Pour rejoindre le plancher des vaches après leur périple historique, les astronautes utiliseraient une capsule automatique ; qui, elle, ne représenterait aucun risque pour les Terriens.

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