Dans les années à venir, la NASA et l’Agence spatiale européenne (ESA) enverront deux missions robotiques pour explorer Europe, la lune glacée de Jupiter. Ce ne sont autres que ceux de la NASA Clipper Europe et l’ESA Explorateur des lunes glacées de Jupiter (JUICE), qui seront lancés en 2024 et 2023 (respectivement). Une fois arrivés dans les années 2030, ils étudieront la surface d’Europe avec une série de survols pour déterminer si son océan intérieur pourrait soutenir la vie. Ce seront les premières missions d’astrobiologie sur une lune glacée du système solaire externe, collectivement connues sous le nom de “mondes océaniques”.
L’un des nombreux défis de ces missions est de savoir comment extraire les épaisses croûtes de glace et obtenir des échantillons de l’océan intérieur pour analyse. Selon une proposition du Dr Theresa Benyo (physicienne et chercheuse principale du projet de fusion par confinement de réseau au Glenn Research Center de la NASA), une solution possible consiste à utiliser un réacteur spécial qui repose sur des réactions de fission et de fusion. Cette proposition a été sélectionnée pour le développement de la phase I par le programme NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), qui comprend une subvention de 12 500 $.
La liste des mondes océaniques est longue et variée, allant de Cérès dans la ceinture principale d’astéroïdes, les lunes de Jupiter (Callisto, Ganymède et Europe), Saturne (Titan, Encelade et Dione), la plus grande lune de Neptune (Triton) et Pluton et d’autres corps dans la ceinture de Kuiper. On pense que ces mondes ont tous des océans intérieurs chauffés par la flexion des marées en raison de l’interaction gravitationnelle avec leur corps parent ou (dans le cas de Cérès et de Pluton) de la désintégration d’éléments radioactifs. Une autre preuve de ces océans et de leur activité comprend des panaches de surface et des caractéristiques striées indiquant des échanges entre la surface et l’intérieur.
Le principal défi pour explorer l’intérieur de ces mondes est l’épaisseur de leurs calottes glaciaires, qui peuvent atteindre 40 km (25 mi) de profondeur. Dans le cas d’Europa, différents modèles ont donné des estimations comprises entre 15 et 25 km (10 et 15 mi). De plus, la sonde proposée devra faire face à de la glace hydrostatique avec des compositions variables (telles que l’ammoniac et la roche de silicate) à différentes profondeurs, pressions, températures et densités. Il devra également faire face à la pression de l’eau, maintenir les communications avec la surface et ramener les échantillons à la surface.
La NASA a exploré la possibilité d’utiliser une sonde chauffante ou ennuyeuse pour traverser la nappe de glace afin d’accéder à l’océan intérieur. En particulier, les chercheurs ont proposé d’utiliser une sonde à propulsion nucléaire qui s’appuierait sur la désintégration radioactive pour générer de la chaleur et fondre à travers la glace de surface. Cependant, une équipe de chercheurs de la NASA dirigée par le Dr Benyo a proposé une nouvelle méthode qui s’appuierait sur autre chose que les isotopes radioactifs conventionnels – le plutonium-238 ou l’uranium-235 enrichi. Au lieu de cela, leur méthode consisterait à déclencher des réactions de fusion nucléaire entre les atomes d’un métal solide.
Leur méthode, connue sous le nom de Lattice Confinement Fusion, a été décrite dans deux articles publiés dans le numéro d’avril 2020 de Physical Review C, intitulés “Réactions de fusion nucléaire dans les métaux deutérés” et “Nouvelles réactions nucléaires observées dans les métaux deutérés irradiés par le bremsstrahlung”. Comme l’a expliqué le Dr Benyo dans un récent communiqué de presse du centre de recherche Glenn de la NASA :
« Les scientifiques s’intéressent à la fusion, car elle pourrait générer d’énormes quantités d’énergie sans créer de sous-produits radioactifs durables. Cependant, les réactions de fusion conventionnelles sont difficiles à réaliser et à maintenir car elles reposent sur des températures si extrêmes pour surmonter la forte répulsion électrostatique entre les noyaux chargés positivement que le processus a été impraticable.
Les méthodes de fusion conventionnelles se résument généralement à un confinement inertiel ou magnétique. Avec le confinement inertiel, les combustibles tels que le deutérium ou le tritium (hydrogène-2 ou -3) sont comprimés à des pressions extrêmes (pendant des nanosecondes) où la fusion peut se produire. Dans le confinement magnétique (réacteurs tokamak), le combustible est chauffé jusqu’à ce qu’il atteigne des températures supérieures à ce qui se produit au centre du Soleil – 15 millions de °C (27 millions de °F) – pour réaliser la fusion nucléaire. Cette nouvelle méthode crée des réactions de fusion dans les limites d’un réseau métallique chargé de combustible au deutérium à température ambiante.
Cette nouvelle méthode crée un environnement énergétique à l’intérieur du réseau où les atomes individuels atteignent des énergies cinétiques équivalentes au niveau de la fusion. Ceci est accompli en remplissant les réseaux de deutérium à des densités un milliard de fois supérieures à celles des réacteurs tokamak, où une source de neutrons accélère les atomes de deutérium (deutérons) au point qu’ils entrent en collision avec les deutérons voisins, provoquant des réactions de fusion. Pour leurs expériences, le Dr Benyo et ses collègues ont exposé des deutérons à un faisceau de rayons X énergétiques de 2,9 + MeV, créant des neutrons et des protons énergétiques.
Ce processus pourrait permettre des réactions de fission rapide en utilisant des réseaux construits à partir de métaux comme l’uranium appauvri, le thorium ou l’erbium (Er68) dans une matrice de lithium fondu. L’équipe a également observé la production de neutrons plus énergétiques, indiquant que les réactions de fusion stimulées – alias. des réactions de décapage nucléaire Oppenheimer-Phillips (OP) criblées – se produisent également dans le processus. Selon le Dr Benyo, l’un ou l’autre des processus de fusion est évolutif et pourrait ouvrir la voie à un nouveau type d’engin spatial à propulsion nucléaire :
“Le réacteur nucléaire à fission rapide à fusion hybride qui en résultera sera plus petit qu’un réacteur à fission traditionnel où une source d’énergie de masse inférieure est nécessaire et fournira un fonctionnement efficace avec la chaleur perdue thermique provenant de la sonde thermique du réacteur pour fondre à travers la banquise jusqu’aux océans sous-glaciaires.”
Un bonus de ce nouveau processus est le rôle critique que les électrons du réseau métallique dont les charges négatives aident à “écranter” les deutérons chargés positivement. Selon la théorie développée par le physicien théoricien du projet, le Dr Vladimir Pines, ce criblage permet aux deutérons adjacents de se rapprocher les uns des autres. Cela réduit le risque qu’ils se dispersent tout en augmentant la probabilité qu’ils traversent la barrière électrostatique et favorisent les réactions de fusion. Selon le chercheur principal du projet de la NASA, le Dr Bruce Steinetz, il y a des obstacles à surmonter, mais le projet est bien parti :
« Les découvertes actuelles ouvrent une nouvelle voie pour initier des réactions de fusion pour une étude plus approfondie au sein de la communauté scientifique. Cependant, les taux de réaction doivent être considérablement augmentés pour atteindre des niveaux de puissance appréciables, ce qui peut être possible en utilisant diverses méthodes de multiplication de réaction à l’étude.
Ce type de processus nucléaire pourrait faire partie d’un Europa Lander, une mission proposée par la NASA qui s’appuierait sur les recherches menées par Europa Clipper et JUICE. Avec plus d’études et de développement, cette technologie pourrait également être utilisée pour créer des systèmes d’alimentation pour des missions d’exploration de longue durée, similaires au projet Kilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY) de la NASA. La même technologie pourrait permettre de nouveaux concepts de moteurs comme la propulsion nucléaire-thermique et nucléaire-électrique (NTP/NEP) que la NASA et d’autres agences spatiales étudient.
Enfin, cette méthode proposée pourrait avoir des applications pour la vie ici sur Terre, fournissant un nouveau type d’énergie nucléaire et des isotopes médicaux pour la médecine nucléaire. Comme Leonard Dudzinski, le technologue en chef pour les sciences planétaires à la Direction des missions scientifiques (SMD) de la NASA, a déclaré :
“La clé de cette découverte a été l’équipe talentueuse et multidisciplinaire que la NASA Glenn a réunie pour enquêter sur les anomalies de température et les transmutations de matériaux qui avaient été observées avec des métaux hautement deutérés. Nous aurons besoin de cette approche pour résoudre d’importants défis techniques avant qu’une application pratique puisse être conçu. »
Lectures complémentaires : Nasa, Glenn de la NASA
