Exploration spatiale

Depuis ses débuts à la fin des années 1950, la course vers l’espace a permis des avancées technologiques qui ont aussi profité à l’humanité. Mentionnons la mise au point des plastiques et des ordinateurs, ainsi que les progrès en matière de conservation et d’emballage des aliments, pour n’en citer que quelques-uns. C’est encore vrai aujourd’hui, alors que les vols spatiaux donnent lieu à de nombreuses expérimentations scientifiques. La technologie nucléaire n’échappe pas à la règle.

space food
Échantillons d’aliments spatiaux.

Par exemple, les astronautes consomment depuis des années de la nourriture irradiée, procédé de conservation des aliments maintenant accepté par les principaux organismes responsables de l’alimentation et de la santé. De même, à mesure que les sondes exploraient l’espace de plus en plus lointain; on s’est tourné vers l’énergie nucléaire pour la propulsion des engins spatiaux, en raison des limites de l’énergie chimique (à cause des contraintes de poids) et de l’énergie solaire (en s’éloignant du Soleil, les sondes reçoivent moins de lumière solaire).

Electric-ion engine
Moteur électro ionique.

Également, on utilise de plus en plus les matériaux composites dans la construction des aéronefs et des véhicules spatiaux, afin d’en réduire le poids et d’économiser du carburant. Ces matériaux sont souvent soumis à des rayonnements ionisants pour en améliorer les propriétés. Par ailleurs, pour étudier les défauts de certains matériaux comme ceux qui entrent dans la fabrication des dérives des CF-18 canadiens, on a eu recours aux neutrons produits par des réacteurs de recherche.

À l’avenir, comment ces technologies profiteront-elles à la société?

Fusées nucléaires

Dans un avenir pas si lointain, les fusées nucléaires pourraient devenir réalité. En effet, la NASA a approuvé la conception et la fabrication d’un système de propulsion nucléaire appelé « Prometheus » et a déjà sélectionné l’entrepreneur qui sera chargé du projet.

L’électricité produite par un réacteur nucléaire servira à alimenter le moteur ionique de cette nouvelle génération d’astronefs qui seront capables un jour d’amener un être humain aux confins du système solaire. Bien que cela ressemble à de la science-fiction, le concept de la fusée nucléaire a en fait 50 ans et date du Projet Pluton de 1957. Entre 1957 et 1972, on a proposé plusieurs concepts de fusée nucléaire, mais seuls quelques-uns d’entre eux ont été partiellement testés. Le coût, les difficultés techniques et la pression de l’opinion publique ont conduit à l’abandon de la plupart des propositions.

Aujourd’hui, l’idée d’utiliser les fusées nucléaires refait surface. De nombreux experts s’accordent pour dire qu’il s’agit peut-être des seuls véhicules permettant de transporter de lourdes charges utiles vers Mars et les planètes lointaines. Jusqu’à présent, la plupart des véhicules utilisés dans l’exploration spatiale ont été lancés au moyen de fusées à propulsion chimique, mais le poids de ce type de propulseur pose problème. Les combustibles chimiques sont pesants et alourdissent le lanceur, ce qui limite la taille de la charge utile pouvant être emportée.

En 1998, la NASA a lancé les sondes Deep Space 1 et Deep Space 2, qui ont montré qu’un moteur ionique électrostatique pouvait propulser un engin spatial. Deep Space 1 a survolé l’astéroïde Braille et suivi la comète Borelly pour transmettre des données et des photographies. Pour sa part, Deep Space 2 a atteint Mars, mais ses sondes de surface n’ont pas fonctionné. Dans les deux cas, les moteurs ioniques électrostatiques ont offert un rendement dépassant toutes les attentes.

Le moteur ionique fonctionne comme suit. Un faisceau d’électrons bombarde, arrachant ainsi des électrons aux atomes du gaz pour créer des ions positifs. Ces ions sont accélérés jusqu’à plus de 30 km/s par deux grilles métalliques, une à haute tension positive et l’autre à basse tension négative, placées à l’arrière de la chambre du moteur. Ils sont ensuite concentrés en un faisceau d’ions, puis éjectés par l’arrière du moteur. Enfin, un dispositif de neutralisation recueille les électrons en trop et les injecte dans le faisceau d’ions pour empêcher l’accumulation de charges négatives sur l’engin spatial. On utilise des systèmes à propulsion similaires, mais plus petits, dans des satellites et des sondes spatiales pour la correction de trajectoire. Dans les sondes Deep Space 1 et 2, l’électricité alimentant le moteur ionique était produite par des panneaux solaires.

Prometheus 1 spacecraft
Véhicule spatial Prometheus 1.

Dans la mission Prometheus 1, l’électricité nécessaire au moteur sera produite par un réacteur nucléaire. La mission visera à explorer trois satellites de Jupiter : Callisto, Ganymède et Europe. Elle cherchera aussi à démontrer que les systèmes de propulsion électronucléaire rendront possibles des missions révolutionnaires d’exploration des planètes et du système solaire.

Bien que les moteurs ioniques fournissent une poussée moindre que les moteurs chimiques classiques, ils peuvent fonctionner bien plus longtemps. Cette technologie permettra aux engins spatiaux de franchir de plus grandes distances en circulant à de plus grandes vitesses et d’emporter de plus lourdes charges utiles. Elle accroîtra également leur manœuvrabilité. Les réacteurs nucléaires offrent plusieurs avantages. Ils permettent notamment de produire bien plus d’électricité que les panneaux solaires et le surplus d’électricité pourra, dans de futures missions, alimenter l’équipement de survie, les ordinateurs et les systèmes de communication, ainsi que les grosses centrifugeuses servant à créer la gravité artificielle pour les missions habitées vers Mars et au-delà.

Générateurs thermoélectriques radio-isotopiques

Le premier véhicule spatial sans pilote, le Spoutnik, a été lancé par l’Union soviétique en 1957. Trois mois plus tard, les États-Unis répliquaient avec leur premier vaisseau non habité, l’Explorer 1. Le nombre de missions spatiales soviétiques et américaines a considérablement augmenté au cours des années subséquentes. À la fin de 1969, plus de 1 000 satellites étaient en orbite autour de la Terre; cinq ans plus tard, on en comptait presque 1 700.

L’industrie spatiale exploite la technologie nucléaire depuis le début de la conquête de l’espace. La première utilisation d’un générateur thermoélectrique radio-isotopique (ou RTG) dans une mission spatiale remonte à 1961, alors que l’on en avait installé un dans un satellite de navigation TRANSIT de la U.S. Navy. Ce RTG, le SNAP-3 (Space Nuclear Auxiliary Power ou générateur auxiliaire nucléaire spatial) possédait une puissance d’à peine 2,7 watts, mais le plus important est qu’il a fonctionné pendant 15 ans. Les RTG sont des générateurs électriques qui convertissent en électricité la chaleur produite par la désintégration de plutonium 238. Ils font appel à des thermocouples pour transformer l’énergie thermique en électricité utilisable pour alimenter divers systèmes. À ce jour, la NASA a lancé dans l’espace plus de 25 vaisseaux équipés de RTG; l’ex-Union soviétique a quant à elle lancé 40 satellites et sondes dotés de cette technologie.

GPHS
Générateur thermoélectrique radio-isotopique.

On utilise les RTG dans les astronefs pour plusieurs raisons. Premièrement, ils sont plutôt simples à fabriquer et très fiables; ils fonctionnent souvent plusieurs années, parfois plusieurs décennies, après le lancement. Deuxièmement, ils peuvent fournir de l’électricité pour les missions dans l’espace lointain, au-delà du système solaire, là où la lumière du Soleil est insuffisante pour alimenter les panneaux solaires. Troisièmement, ils peuvent fournir bien plus d’électricité que les panneaux solaires, ce qui permet d’emporter plus d’équipements et d’accroître le nombre d’expériences. Les générateurs thermoélectriques radio-isotopiques produisent également de la chaleur qui empêche le gel dans les profondeurs de l’espace où la température avoisine les ‑200 °C.

En 1997, la NASA et l’Agence spatiale européenne (ESA) ont lancé la sonde orbitale Cassini-Huygens en vue d’étudier Saturne et ses satellites. Alimentée par trois RTG, la sonde a pris sept ans pour atteindre cette planète autour de laquelle elle orbite encore aujourd’hui, y effectuant une mission de cartographie radar et de photographie du système saturnien. Le 15 janvier 2005, le module Huygens s’est posé sur le plus gros satellite de Saturne, Titan, d’où il a envoyé pendant plusieurs heures des données sur la composition de son atmosphère et des images de sa surface. On a ainsi découvert que Titan possède des lacs d’hydrocarbures, qu’il y a des ouragans sur Saturne et que ses anneaux sont bien plus vieux que ce qu’on croyait. Sans les RTG, les missions comme Cassini-Huygens auraient été impossibles et ces régions éloignées du système solaire seraient encore très mystérieuses.

La mission Cassini-Huygens a toutefois soulevé une certaine controverse. En effet, des scientifiques et des groupes environnementalistes se sont inquiétés du risque de rejet de plutonium 238 radioactif dans l’atmosphère en cas d’échec du lancement de la fusée emportant la sonde. Cette possibilité est certes bien réelle, mais elle demeure très faible. En effet, les RTG sont conçus pour supporter la rentrée dans l’atmosphère et résister à un impact à grande vitesse.

En 1970, lors de la mission interrompue Apollo 13, le module lunaire qui avait permis aux astronautes de rester en vie a été éjecté, puis il s’est désintégré en rentrant dans l’atmosphère. Ce module comportait un générateur thermoélectrique radio-isotopique qui devait servir à alimenter un bloc expérimental lunaire. Le RTG est tombé dans le sud de l’océan Pacifique et a coulé, mais il n’a pas subi de dommages et n’a libéré aucun rayonnement. En raison de sa conception, il devrait rester intact plus de 800 ans, assez longtemps pour que sa radioactivité ne soit plus dangereuse.

Mars concept vehicle
Astromobile destinée à l’exploration de Mars.

À l’avenir, les RTG joueront un rôle encore plus important dans l’exploration spatiale. Ils alimenteront les astromobiles (communément appelés « rovers ») de nouvelle génération, plus gros et plus perfectionnés que les précédents, qui devraient être envoyés sur Mars en 2009. Ils fourniront par ailleurs une partie de l’électricité nécessaire au projet de base lunaire, dont la construction devrait se terminer autour de 2020. Actuellement, la sonde New Horizons est en route vers Pluton, dont elle doit nous donner les premières images en gros plan. Ce corps céleste est si éloigné que la sonde ne l’atteindra pas avant 2019. Seuls les générateurs thermoélectriques radio-isotopiques permettent de mener une telle mission.

Si le projet de mission sur Mars se concrétise au cours des prochaines décennies, les astronautes resteront dans l’espace pendant 30 mois et devront donc être presque entièrement autosuffisants. En raison de leur fiabilité, les RTG seront utilisés comme source d’énergie thermique et d’électricité afin d’assurer la survie des équipages.

Sources :

NASA, http://www.nasa.gov/.
NASA, Cassini Solstice Mission, http://saturn.jpl.nasa.gov/home/index.cfm.
Steven R. Oleson and Frederick W. Elliott, Electric Propulsion Technology Developed for Prometheus.