Cette semaine, je reviens sur le sujet passionnant des progrès en matière de propulsion aérienne et spatiale. Cette question, que j’aborde régulièrement dans RT Flash, a pris récemment une importance nouvelle à la lumière de récentes avancées technologiques, mais également dans un nouveau contexte de réchauffement climatique plus rapide et plus violent que prévu. Commençons par le domaine spatial, marqué par une compétition exacerbée entre la Chine, les États-Unis et l'Europe. Il y a quelques jours, une équipe conjointe de la société General Atomics et de la Nasa a testé la résistance à la chaleur d’un moteur nucléaire et est parvenue à chauffer du combustible nucléaire à 2400 degrés. L’idée serait de l'utiliser en remplacement du moteur chimique actuel. Il produirait une chaleur très intense, portant le carburant (de l’hydrogène) à des températures élevées et assurant une poussée bien plus efficace que celle des moteurs actuels. Ce moteur nucléaire pourrait permettre de réduire de moitié, voire des trois quarts, le temps de vol vers Mars, soit un voyage d'un mois et demi, au lieu d’environ 8 mois, avec les technologies actuelles de propulsion chimique.
L'enjeu est crucial et ne se réduit pas à une simple prouesse technique. Il faut en effet savoir que les astronautes qui partiront sur Mars risqueraient, avec les fusées actuellement disponibles, d'être exposés à des doses cumulées de radiations cosmiques dangereuses par leur santé, si l'on ne parvient pas à réduire ce temps de voyage (aller-retour) de 16 mois, pendant lequel il est très difficile de les protéger suffisamment des radiations nocives, sauf à alourdir de manière excessive leur vaisseau spatial. Ce problème rédhibitoire a conduit la Nasa à relancer son programme DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations) en 2023. L’ESA (Agence spatiale européenne) explore une voie similaire avec le projet RocketRoll : un démonstrateur de fusée à fission est attendu pour 2035. La Nasa avait déjà travaillé sur un moteur nucléaire il y a plus de 60 ans, mais ces recherches avaient été abandonnées pour des raisons budgétaires. En outre, réduire drastiquement ce temps de trajet entre la Terre et Mars permettrait, en cas de problèmes vitaux sur la future base permanente martienne, d'avoir une bien meilleure chance d'envoyer à temps une mission de secours sur la planète rouge. Reste que les défis techniques sont nombreux à relever, à commencer par le chauffage contrôlé du combustible nucléaire à des températures très élevées dans le vide spatial. « Nous sommes très encouragés par ces résultats positifs prouvant que le combustible peut survivre à ces conditions de fonctionnement, nous rapprochant de la réalisation d'une propulsion thermique nucléaire sûre et fiable pour les missions dans l'espace lointain », souligne Scott Forney, Président d'EMS (Electromagnetic Systems (EMS), chez General Atomics.
Dans ce projet, le moteur nucléaire serait utilisé en complément d’un moteur chimique et activé seulement en orbite. Des boucliers seraient prévus dans le vaisseau spatial, pour protéger les habitacles accueillant les astronautes des radiations cosmiques. Ce retour en grâce du nucléaire spatial ne doit rien au hasard car Donald Trump, lors de son discours d’investiture, le 20 janvier 2025, a réaffirmé son ambition, face au grand rival chinois, de planter le premier le drapeau américain sur Mars, avec le concours actif de son partenaire politique et industriel, Elon Musk, patron de SpaceX.
En mars dernier, une start-up américaine, RocketStar, a dévoilé un nouveau moteur ionique compact et très novateur, intégrant la fusion nucléaire et baptisé FireStar Fusion Drive. D’après RocketStar, il s’agit du premier système de propulsion électrique au monde qui intègre la fusion nucléaire. Il faut savoir que les moteurs à plasma pulsé existent depuis des décennies. Leur première utilisation date de l’époque soviétique, quand la sonde spatiale Zond 2 a survolé la planète Mars en 1964. Les moteurs ioniques ont des caractéristiques, efficacité, simplicité, endurance, qui intéressent au plus haut point toutes les agences spatiales au monde, à commencer par la NASA, qui expérimente cette technologie depuis un quart de siècle. RocketStar mise sur une conception unique de moteur à plasma pulsé alimenté à l’eau. L’idée consiste à générer des protons à grande vitesse, et donc de la poussée, en ionisant la vapeur d’eau. Pour améliorer davantage les performances, la société a mis en œuvre une forme unique de fusion nucléaire aneutronique. La grande innovation présente dans ce nouveau moteur FireStar Fusion Drive repose sur une réaction de fusion provoquée par l'injection contrôlée de bore dans les gaz d’échappement. Ce procédé permet une interaction entre les noyaux de bore et les protons qui se déplacent à grande vitesse et peuvent ainsi augmenter considérablement la poussée du propulseur ionique. Ce nouveau système de propulsion spatiale a été expérimenté avec succès au High Power Electric Propulsion Laboratory (HPEPL) de Georgia Tech à Atlanta, en Géorgie, aux États-Unis. « RocketStar n’a pas seulement amélioré progressivement un système de propulsion, mais a fait un pas en avant en appliquant un concept novateur, créant une réaction de fusion-fission dans les gaz d’échappement », souligne Adam Hecht, professeur de génie nucléaire à l’Université du Nouveau-Mexique. Le FireStar Fusion Drive devrait prochainement être testé dans l’espace, dans le cadre de missions menées par la société aérospatiale D-Orbit (Voir Aerospace Testing International).
Il y a quelques jours, des chercheurs de Rosatom, l’agence nucléaire russe, ont annoncé, eux-aussi, le développement d’un moteur électrique à plasma. Selon ces scientifiques, ce moteur serait capable de propulser un vaisseau spatial vers Mars en moins de deux mois, au lieu des 6 à huit mois nécessaires avec une propulsion chimique (Voir World Nuclear News). Contrairement aux moteurs de fusée actuels qui utilisent des carburants chimiques, lourds et délicats à utiliser, ce moteur développé par Rosatom utilise un accélérateur à plasma magnétique. Ce système utilise deux électrodes entre lesquelles des particules chargées, comme des électrons et des ions, sont propulsées sous l’effet d’une haute tension électrique. Le courant intense ainsi généré produit un champ magnétique puissant qui expulse à grande vitesse des particules ionisées hors de la chambre de combustion, produisant ainsi une poussée très puissante et continue.
L’un des principaux avantages de cette technologie est son efficacité énergétique. Contrairement aux moteurs chimiques, dont la majeure partie de l’énergie est perdue sous forme de chaleur, le moteur à plasma convertit la quasi-totalité de l’énergie électrique en puissance de propulsion, ce qui autorise des missions spatiales de longue durée. Le choix de l’hydrogène comme carburant constitue également une rupture majeure, car ce gaz léger et abondant dans l’espace est bien adapté pour alimenter ce type de moteur. Il permet d’accélérer les électrons et les protons à des vitesses inégalées, pouvant atteindre 100 km/s (soit 360 000 km/h), contre seulement 4,5 km/s pour la propulsion chimique. En outre, le moteur à plasma génère une poussée continue, une propriété décisive qui pourrait permettre au vaisseau spatial de continuer à accélérer tout au long de son voyage, contrairement aux moteurs chimiques qui sont rapidement en manque de carburant dans ce cas de figure. Le développement de ce moteur à plasma de Rosatom a franchi une étape clé avec la création d’un prototype à l’Institut Troitsk. Celui-ci atteint déjà une puissance de 300 kW. Selon Konstantin Gutorov, conseiller scientifique du projet, la durée de vie du moteur dépasserait les 2 400 heures, une autonomie suffisante pour assurer un voyage complet vers Mars. Lors des missions, le moteur à plasma sera d’abord mis en orbite grâce à des lanceurs chimiques conventionnels. Il prendra ensuite le relais pour propulser le vaisseau vers Mars. Si les performances de ce moteur ionique russe sont confirmées, cette technologie pourrait marquer un tournant majeur dans l’exploration spatiale.
Au niveau européen, l’Agence spatiale européenne, soucieuse de ne pas se laisser distancer par les États-Unis, la Russie et la Chine dans cette course vers l'exploration des planètes lointaines, a présenté, fin 2024, son projet RocketRoll, pour la propulsion nucléaire électrique destinée à l’exploration spatiale. L'objectif est de doter l’Europe de systèmes de propulsion nucléaire capables d’assurer des missions spatiales de longue durée. L'exploration des planètes lointaines du système solaire, à commencer par Mars, suppose de relever de redoutables défis technologiques, liés aux contraintes physiques de stockage des carburants chimiques qui conditionnent la durée des missions, mais aussi à l’efficacité énergétique et à la fiabilité des systèmes de propulsion. L’Agence spatiale européenne (ESA) avait ainsi commandé, il y a un peu plus d’un an, des projets de propulsion nucléaire destinés à l’exploration spatiale. L’un d’eux, baptisé "RocketRoll", est piloté par un consortium dirigé par la société Tractebel et constitué des principaux acteurs européens de l’aérospatiale et du nucléaire. Ce projet doit à présent permettre de réaliser un prototype de système à propulsion nucléaire électrique (NEP), dans la perspective de voyages spatiaux de longue durée pour explorer l'espace lointain.
Aujourd’hui, deux voies technologiques distinctes font l'objet de recherches pour relancer la propulsion nucléaire spatiale : la propulsion nucléo-thermique ou nucléaire électrique. Le projet RocketRoll consiste à explorer la faisabilité de cette seconde voie. Dans ces systèmes, l’électricité produite par un réacteur électronucléaire permet d’alimenter des propulseurs électriques ioniques. Au sein de ces derniers, un gaz est ionisé et forme un plasma, et des ions sont accélérés puis éjectés pour générer la poussée. « Grâce à sa densité énergétique considérable, le NEP offre des avantages révolutionnaires en termes de vitesse, d’autonomie et de flexibilité. Cette technologie de propulsion innovante a le potentiel de transformer l’exploration spatiale et la mobilité spatiale en permettant des missions de plus longue durée, ce qui pourrait façonner l’avenir de l’exploration interplanétaire » souligne Tractebel. Au-delà de sa performance énergétique pour le voyage, l’Agence spatiale européenne précise que le NEP « pourrait aussi être utilisé sur la surface de la Lune ou de Mars pour alimenter de futures bases ». Le consortium regroupe les principaux acteurs européens de l’aérospatiale et du nucléaire : Tractebel, le CEA, ArianeGroup, Airbus, Frazer Nash, ainsi que des chercheurs de l’Université de Prague et de Stuttgart et des ingénieurs d’OHB Czechspace et d’OHB System à Brême.
La nouvelle feuille de route technologique européenne pour développer un système NEP prévoit la réalisation d'un vaisseau spatial de démonstration qui pourrait tester en vol les systèmes NEP pour les missions dans l’espace lointain d’ici 2035. Derrière cet ambitieux projet, on trouve un objectif affiché de construction d'une véritable souveraineté européenne, en matière de technologies spatiales. Il s'agit en effet de disposer d'ici 20 ans de toute une palette de solutions d’énergie nucléaire, allant des radio-isotopes aux systèmes de fission, et, parallèlement, d'organiser une chaîne de valeur européenne pour les solutions nucléaires dans les applications spatiales. Dans un premier temps, les ingénieurs visent un réacteur nucléaire d'environ un mètre cube délivrant une puissance inférieure à 1 mégawatt. Le combustible envisagé est de l'uranium enrichi, contrôlé par un système de barres. L'objectif est de sortir un premier démonstrateur fonctionnel d'ici 10 ans, pour valider le concept et les technologies. Reste que les défis à relever sont nombreux. Il faut notamment garantir la sûreté nucléaire du lanceur en cas de défaillance technique, et garantir un fonctionnement autonome et fiable sur de longues périodes dans l’espace, grâce à une assistance robotique très sophistiquée. Brieuc Spindler, responsable du projet RocketRoll, précise que « Le démarrage du réacteur nucléaire n'aura lieu qu'à très haute altitude afin d'être sûr d'éviter les retombées ».
Il faut rappeler qu'en 2018, l’Esa avait présenté un moteur ionique révolutionnaire, capable de collecter son propre carburant en évoluant simplement dans l’atmosphère pour y rassembler certains gaz, ce qui a ouvert la voie à des satellites évoluant en orbite très basse pendant plusieurs années. Et ce nouveau type de moteur ionique peut fonctionner aussi bien dans l’atmosphère terrestre que dans l'atmosphère plus ténue de Mars. Ce prototype a fait ses preuves dans une chambre sous vide qui peut reproduire le même environnement que celui qu'on trouve à 200 km d’altitude. « Il n’y a pas de vannes ou de pièces complexes – tout fonctionne sur une base simple et passive. Il suffit d’alimenter les bobines et les électrodes pour obtenir un système de compensation de traînée extrêmement robuste », écrit l’Esa. Concrètement, ce système de propulsion très novateur fonctionne en trois phases. La première repose sur une alimentation classique du moteur ionique avec du xénon. Ensuite, le xénon est remplacé par un mélange d’air composé d’oxygène et d’azote. La dernière phase a consisté à couper l’arrivée du xénon pour ne faire appel qu’à des molécules présentes dans l’atmosphère (l’oxygène et l’azote la composent à plus de 99 %) (Voir The European Space Agency).
Mais si ces moteurs ioniques, encore appelés moteur à plasma, sont appelés à révolutionner l’exploration spatiale et l'autonomie des satellites, ils pourraient bien également, plus rapidement qu'on ne l'imagine, changer la donne dans les transports aériens civils et militaires, des drones aux avions de ligne. Fin 2018, le MIT a présenté un incroyable avion qui vole sans combustibles fossiles et ne contient aucune partie mobile. Il plane dans les airs en utilisant le principe de la propulsion électroaérodynamique. Il fonctionne sans hélices ni turbines, en utilisant une propulsion à l’"état solide" ("solid-state propulsion"). L’électroaérodynamique, dans laquelle des forces électriques accélèrent des ions dans un fluide, constitue une méthode alternative pour propulser les aéroplanes sans parties mobiles, et sans émissions de combustion. Les chercheurs du MIT expliquent que cet avion est propulsé par un "vent ionique", c’est-à-dire ce flux d’ions produit à bord de cet appareil. Le dispositif est toutefois complété par une "voilure fixe", ainsi que par des batteries et un convertisseur de puissance. Grâce à ce remarquable concept d’aéroplane, ces chercheurs ont réussi à dépasser les limites qui existaient jusqu'à lors, et à disposer d'une puissance de poussée suffisante pour envisager un aéroplane léger à propulsion ionique. Concrètement, les ions présents dans le flux et influencés par un champ électrique sont accélérés par la force de Coulomb, en entrant en collision avec des molécules électriquement neutres. Il en résulte la production de ce “vent ionique” qui produit une force de poussée dans la direction opposée à celle du flux d’ions. C’est ainsi que la propulsion électroaérodynamique permet à ce drone de voler de manière totalement propre et silencieuse (Voir MIT). Ces drones à propulsion ionique pourraient évidemment trouver une multitude d'applications, aussi bien dans le secteur commercial (livraisons urbaines silencieuses) que dans le domaine militaire (furtivité), le secteur de la sécurité (surveillance incendie) ou encore le domaine spatial (exploration de Mars).
Enfin, j’ajoute qu'en 2020, des chercheurs chinois de l’Institut des sciences technologiques de l’Université de Wuhan ont présenté, eux-aussi, un prototype de propulsion aérienne révolutionnaire qui utilise des plasmas à micro-ondes pour la propulsion par jet. Ces scientifiques sont parvenus à générer un jet de plasma en comprimant l’air à des pressions élevées et en utilisant des micro-ondes pour ioniser le flux d’air sous pression. Cette technologie est distincte des autres propulseurs à jet de plasma, comme la sonde spatiale Dawn de la NASA, qui utilise un plasma au xénon, qui fonctionne bien pour propulser de manière fine les satellites mais génère une puissance bien trop faible pour pouvoir être utilisée dans le transport aérien. Ce système de propulsion à plasma chinois est capable de produire un plasma à haute température et haute pression en utilisant uniquement de l’air et de l’électricité. Le prototype peut soulever une bille d’acier de 1 kilogramme sur un tube en quartz de 24 millimètres de diamètre, où l’air à haute pression est converti en jet de plasma en traversant une chambre d’ionisation à micro-ondes. En démultipliant un tel rendement énergétique à l’échelle d'un avion de ligne, ces chercheurs affirment qu'il est possible d'atteindre une pression de poussée comparable à celle d'un turboréacteur d’avion commercial. « Nos résultats ont démontré qu’un tel turboréacteur à base de plasma d’air à micro-ondes peut être une alternative potentiellement viable au turboréacteur à combustibles fossiles et peut permettre d'envisager de gros avions totalement propres et neutres sur le plan du climat », souligne le Professeur Jau Tang, professeur à l’Université de Wuhan (Voir AIP Advances).
Si la propulsion nucléaire de nouvelle génération restera probablement confinée, pour des raisons évidentes de sécurité, à des usages spatiaux, il n'en va pas de même pour les systèmes de propulsion ionique qui, en raison de leurs performances exceptionnelles, de leur neutralité climatique et de leur longévité, ont vocation à se diffuser à l’ensemble des transports aériens. Face à la Chine et aux États-Unis, qui ont bien compris les enjeux énormes de cette mutation technologique, la France et l'Europe ne doivent pas rater cette révolution technique et industrielle de premier ordre et doivent consentir un effort financier suffisant, sur le long terme, pour maîtriser cette technologie d'avenir qui pourrait bien, avant le milieu de ce siècle, bouleverser les transports aériens et rendre totalement compatible leur développement avec la sortie des énergies et carburants fossiles et l'impératif mondial de lutte contre le changement climatique.
René TRÉGOUËT
Sénateur honoraire
Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat
e-mail : tregouet@gmail.com
