Dans ce troisième article, nous continuons notre exploration des différents systèmes de propulsions spatiales avec les propulsions exotiques qui sont difficiles voire impossibles à mettre en place avec les moyens actuels mais réalisables en théorie…

La propulsion thermonucléaire :

Comme nous l’avons vu dans le premier article, dans le cas d’une fusée chimique, les gaz éjectés sont les produits d’un mélange d’ergols c’est-à-dire qu’il nécessite un combustible et un comburant.

Dans le principe de la propulsion thermonucléaire, le comburant est remplacé par un réacteur nucléaire. De l’hydrogène liquide est pompé par des turbopompes jusqu’au réacteur nucléaire qui le chauffe  à de très hautes températures (à plus de 2500°C) pour l’éjecter par la suite pour produire la poussée, de la même façon que la propulsion chimique conventionnelle.

Ce système, qui semble à première vue prometteur, se révèle pourtant assez difficile à mettre en œuvre. Il nécessite un réacteur qui a une masse considérable ce qui rend le système inefficace. De plus, les produits éjectés par la tuyère sont hautement radioactifs, ce qui causerait un désastre écologique si le moteur était mis en fonctionnement depuis la Terre. Ainsi, ce système est actuellement abandonné.

Néanmoins, en 1960, le physicien Robert Bussard imagine le « Ramjet ». Un vaisseau qui collecte son carburant (de l’hydrogène) en cours de route. Grâce à un entonnoir de plusieurs centaines de kilomètres de diamètre, le « Ramjet » capture cet hydrogène (présent en abondance dans l’espace) dans son moteur à fusion nucléaire et utilise l’énergie produite pour accélérer les produits de la combustion.

Fonctionnement du “Ramjet”.

 

Ainsi, plus le « Ramjet » va vite plus il capture de l’hydrogène en un temps donné et plus il en capture plus il va vite. Avec ce principe le vaisseau pourrait accélérer continuellement aussi longtemps qu’il rencontrerait de l’hydrogène sur son passage. Avec une vitesse initiale de 10 km/s, il pourrait théoriquement attendre 90% de la vitesse de la lumière en un an et se rapprocher toujours en peu plus de la limite de la vitesse universelle et ainsi atteindre Proxima b en 3 ans.

Image d’artiste du “Ramjet”.

 

La voile solaire : Un trampoline à photons :

Le fonctionnement d’une voile solaire est identique à celle d’une voile sur un bateau. Mais au lieu du vent pour pousser la voile, on fait appel aux photons émis par le Soleil ou par un laser pointé sur le vaisseau.

L’idée est simple. La lumière est composée de particules appelées photons. S’ils n’ont pas de masse, ils ont par contre une vitesse et ce qu’on appelle une “quantité de mouvement”. C’est un peu comme quand vous envoyez la boule blanche sur une autre au billard. La quantité de mouvement de la première boule est transférée à la seconde.

Le principe de la propulsion photonique, c’est donc de transférer l’énergie de la lumière à un objet. Pour ça, on va utiliser une “voile solaire”. Fabriquée dans un matériau bien spécifique, celle-ci va fonctionner un peu comme une voile classique : les photons qui vont la toucher et se refléter dedans vont lui donner un peu de leur quantité de mouvement et propulser ainsi l’engin. Avec la propulsion photonique, un vaisseau pourrait atteindre à peu près 20% de la vitesse de la lumière.

Principe de fonctionnement d’une voile à photons.

 

Ainsi, à travers le projet « Breakthrough Starshot », l’astrophysicien britannique Stephen Hawking (décédé le 14 mars 2018 à Cambridge, à l’âge de 76 ans) et l’entrepreneur russe Youri Milner  avaient pour objectif de lancer le premier voyage interstellaire en direction de Proxima b avec une flotte de “nano-vaisseaux” propulsés par des rayons laser.

Illustration du projet “Breakthrough Starshot”

 

La propulsion avec de l’anti-matière :

L’anti-matière est constituée d’antiparticules qui ont les mêmes masses que les particules mais une charge électrique opposée et lorsqu’une particule rencontre son antiparticule, elle s’annihile dans un grand flash et l’intégralité de leur masse est convertie en énergie pure. Beaucoup d’énergie en effet, puisque un gramme d’anti-matière dégage autant d’énergie de 20 000 tonnes de combustibles chimiques.

Pour convertir cette énergie en poussée, il faut revenir en détail sur la réaction.Lorsqu’un proton frappe un antiproton, la collision donne naissance à des particules subatomiques instables comme des pions ou des muons qui vivent le temps d’un instant avant de se désintégrer en énergie sous la forme de rayons gamma.

Si on arrive à diriger ses pions et muons dans une tuilière d’échappement avec un champ  magnétique, on a un vaisseau capable d’aller à la moitié de la vitesse de la lumière et d’atteindre Proxima b en 10 ans et tout ça avec le même principe d’action-réaction de la propulsion chimique.

Image d’artiste d’un vaisseau se propulsant avec de l’anti-matière.

 

Cependant, l’anti-matière ne se trouve pas dans l’univers. Il faut en fabriquer. Actuellement quelques nanogrammes sont crées dans d’énormes accélérateurs de particules comme au CERN. Mais, créer 1 gramme d’anti-matière coûte aujourd’hui des millions de milliards d’euros. C’est la substance la plus chère à produire de l’univers. Ensuite, se pose la question du stockage des anti-particules qui nécessite des champs magnétiques ultra-puissants pour les piéger et éviter qu’elles touchent les parois du vaisseau…

En résumé, l’anti-matière est très prometteuse mais est très compliquée à mettre en place.

Grégoire Aulagner

Sources :

— Principe de la propulsion photonique :

http://www.u3p.net/u3p_fr/Principe_de_la_propulsion_photonique.html

— Breakthrough Starshot : https://breakthroughinitiatives.org/initiative/3

— Le Sense Of Wonder.

— Nasa – Antimatter : https://www.nasa.gov/exploration/home/antimatter_spaceship.html

— Air & Space Smithsonian : https://www.airspacemag.com/daily-planet/breakthrough-antimatter-physics-has-some-dreaming-starships-180961497/

 

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