En un peu plus de quatre ans, la NASA Libellule mission se lancera dans l’espace et commencera son long voyage vers Titan, la plus grande lune de Saturne. Dans le cadre du programme New Frontiers, ce quadricoptère explorera l’atmosphère, la surface et les lacs de méthane de Titan à la recherche d’éventuelles indications de vie (alias biosignatures). Celle-ci débutera en 2034, avec une phase scientifique de trois ans et trois mois et demi. L’explorateur robotique s’appuiera sur une batterie nucléaire – un générateur thermique à radio-isotopes multi-missions (MMRTG) – pour assurer sa longévité.
Et si Dragonfly était équipé d’un système d’alimentation à fusion de nouvelle génération ? Dans un article récent, une équipe de chercheurs de Princeton Satellite Systems a proposé comment un Direct Fusion Drive (DFD) pourrait grandement améliorer une mission sur Titan. Cette société aérospatiale basée dans le New Jersey développe des systèmes de fusion qui s’appuient sur la Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC). Cette recherche pourrait conduire à des réacteurs à fusion compacts qui pourraient conduire à des engins spatiaux rapides, à des missions de plus longue durée et à des réacteurs nucléaires miniatures ici sur Terre.
L’équipe de recherche était dirigée par Michael Paluszek, président de Princeton Satellite Systems (PSS) et ingénieur aéronautique et astrologique avec une longue expérience dans les systèmes spatiaux et l’industrie spatiale commerciale. Il a été rejoint par plusieurs collègues de PSS, du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), de l’Air Force Institute of Technology de Wright-Patterson AFB et de l’Université de Princeton et de Stanford. Leur proposition, «l’avion Titan propulsé par fusion nucléaire», est récemment parue dans Astra Astronautique.
Le concept de propulsion nucléaire remonte au début de l’ère spatiale lorsque la NASA et le programme spatial soviétique ont cherché à développer des réacteurs pour alimenter de futures missions au-delà du système Terre-Lune. Entre 1964 et 1969, leurs efforts ont abouti au Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), un réacteur à fission lente qui alimenterait un système de propulsion nucléaire-thermique et nucléaire-électrique (NTP/NEP). Le premier repose sur la chaleur générée par un réacteur pour transformer le propulseur d’hydrogène en plasma (qui est dirigé à travers des buses pour générer une poussée). Ce dernier implique un réacteur fournissant de l’électricité à un propulseur à effet Hall (alias moteur ionique).
D’autre part, le Direct Fusion Drive (DFD) appelle à un moteur-fusée à fusion nucléaire qui produirait à la fois de la poussée et de l’énergie électrique pour un vaisseau spatial interplanétaire. Dans une étude précédente, une équipe de recherche internationale a proposé comment un vaisseau spatial équipé d’un DFD de 2 mégawatts (MW) pourrait transporter une charge utile de 1 000 kg (2 200 lb) vers Titan en moins de 2,6 ans (~ 31 mois). C’est plus de deux fois la masse du Libellule mission, qui est (relativement parlant) un poids plume en comparaison – 450 kg (990 lbs). Un temps de transit de 2,6 ans est également nettement inférieur aux sept années Libellule’le vaisseau spatial mettra pour atteindre Titan.
Dans leur article, Palusek et ses collègues ont étendu ce travail pour inclure un avion (d’un concept similaire à celui de la NASA Libellule) comme charge utile, qui explorerait l’atmosphère et la surface de Titan pendant des années. Comme Paluszek l’a dit à Universe Today par e-mail, la clé de ce concept de vaisseau spatial est le processus PFRC développé par des chercheurs du PPPL :
« La Princeton Field Reversed Configuration est une topologie magnétique dans laquelle des champs, produits par des antennes, ferment les lignes de champ dans des miroirs magnétiques. Les antennes produisent ce qu’on appelle un champ magnétique tournant (RMF). La fusion a lieu dans cette région de champ fermé. Des flux de plasma supplémentaires à basse température autour de la région de fusion produisent un flux d’échappement avec la meilleure vitesse d’échappement et la meilleure poussée pour une mission donnée.
Crédits : DARPA
Selon leur article, un moteur propulsif DFD pourrait transporter un vaisseau spatial de grande taille vers Titan en moins de deux ans. Un deuxième réacteur à fusion alimenterait le vaisseau spatial Titan en tant que générateur d’énergie électrique en boucle fermée. Les deux réacteurs seraient basés sur le concept PFRC et s’appuieraient sur un nouveau système de chauffage par plasma radiofréquence et du deutérium/hélium-3 (2H/He-3) carburant. Cela donnerait à l’avion Titan beaucoup plus de puissance (de plusieurs ordres de grandeur) et prolongerait considérablement la durée de vie de la mission. Dit Paluszek :
« L’avion Titan est beaucoup plus gros. Il fournit plus de 100 kW pour les expériences. Dragonfly fournit environ 70 W. Plus de puissance signifie un transfert de données plus rapide vers la Terre et une toute nouvelle classe d’instruments haute puissance. La mission Jupiter Icy Moon Orbiter de la NASA avait une puissance similaire, et de nombreux nouveaux instruments nécessitant des kW de puissance étaient prévus.
L’utilisation de l’énergie nucléaire pour faire progresser l’exploration spatiale est quelque chose que les agences spatiales étudient depuis l’aube de l’ère spatiale. Avec le programme Artemis et le retour sur la Lune au cours de cette décennie, et les missions vers Mars et d’autres destinations dans l’espace lointain au cours de la prochaine, la NASA et d’autres agences spatiales envisagent à nouveau des applications potentielles. Il s’agit notamment d’engins spatiaux nucléaires bimodaux équipés d’un système NTP et NEP qui pourraient réduire les transits vers Mars à 100 jours (il faut actuellement six à neuf mois pour qu’un engin spatial s’y rende).
Un système NTP a récemment été sélectionné pour le développement de la phase I dans le cadre du programme 2023 NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) qui pourrait réduire les temps de transit à 45 jours seulement. En outre, la NASA a passé un contrat avec la DARPA pour tester un prototype NTP – la fusée de démonstration pour les opérations cislunaires agiles (DRACO) – en orbite d’ici 2027. Des efforts sont également déployés pour développer de petits systèmes de fission légers dans le cadre du projet Fission Surface Power (FSP) de la NASA. fournir en continu jusqu’à 10 kilowatts (kW) d’électricité pendant au moins dix ans.
Crédit : NASA/STMD
Ces efforts s’appuient sur le projet Kilopower de la NASA, qui a conduit au démonstrateur Kilopower Reactor Using Stirling Tech (KRUSTY). Comme Paluszek l’a expliqué, un DFD qui s’appuie sur le processus PFRC pourrait améliorer ces propositions. De plus, la technologie a également des implications importantes pour l’exploration spatiale et les applications terrestres :
« Un chiffre clé est le rapport entre la puissance et la masse de la centrale électrique. La DFD devrait être d’environ 1 kW/kg. La NEP est d’environ 0,02 kW/kg. Cette technologie pourrait être utilisée pour l’alimentation portable en cas d’urgence ou pour l’armée. Cela pourrait alimenter des villes éloignées qui n’ont pas de lien avec le réseau [and] pour les applications industrielles où une connexion au réseau n’est pas disponible. Il pourrait propulser des navires et des drones à très longue endurance. Il pourrait également être utilisé pour les centrales électriques modulaires, un peu comme les éoliennes et le solaire. Une autre application est la puissance de pointe.
Ce n’est pas la première fois que Paluszek et ses collègues du PPPL et de Princeton Satellite Systems proposent la technologie DFD pour faire progresser l’exploration spatiale. En 2014, dans le cadre du 65e Congrès international d’astronautique (AIC), ils ont recommandé un vaisseau spatial DFD pour une mission orbitale avec équipage vers Mars. En 2016, ils ont proposé comment un orbiteur et un atterrisseur équipés de DFD faciliteraient une mission sur Pluton, qui a été sélectionnée pour le développement de la phase I et de la phase II par le NIAC.
Au cours de la prochaine décennie, la propulsion nucléaire et les systèmes d’énergie nucléaire deviendront probablement des éléments de mission réguliers. Cela comprendra probablement des réacteurs à fusion miniatures qui fourniront de l’énergie aux installations qui soutiennent l’exploration et le développement sur la surface lunaire. Il pourrait également fournir des systèmes de transport et d’alimentation rapides sur Mars et des missions d’astrobiologie vers Europe, Ganymède, Titan, Encelade et d’autres “mondes océaniques” dans le système solaire externe. En résumé, la puissance de fission et de fusion est un élément vital des efforts de l’humanité pour aller plus loin dans l’espace et y rester à long terme.
Lectures complémentaires : Acta Astronautica
