26.04.2016

Le nucléaire emmènera l’Homme sur Mars

planète mars
Publié par Boris Le Ngoc (SFEN)

Dans à peine une décennie, l’Homme foulera pour la première fois le sol de la planète Mars. C’est le pari de la NASA, de l’entrepreneur Elon Musk et de Rosatom qui fixent cet horizon entre 2020 et 2030. Le voyage sera long (six mois pour l’aller). Une fois sur place, les "Marsonautes" devront alimenter leur base scientifique en électricité… Pour raccourcir le temps du voyage et fournir de l’énergie , les technologies nucléaires - propulsion et production d’électricité - seront indispensables.
 

La propulsion nucléaire : la rupture technologique pour les explorations lointaines

Sur la Terre comme au ciel, l’énergie est vitale. Dans l’espace, l’énergie permet de propulser une fusée, corriger l’orbite d'un satellite, alimenter les appareils de mesure, chauffer les zones habitables... Aujourd'hui, l’industrie spatiale utilise des combustibles solides et liquides (pour la propulsion) et des batteries ou des panneaux solaires (pour l'électricité). Cependant, ces technologies ont des limites incompatibles avec des explorations spatiales de longue durée : durée de vie des batteries, insuffisance d’énergie solaire au-delà de l’orbite de Jupiter pour les panneaux photovoltaïques, carburant lourd à transporter…

La solution ? Changer de système propulsif et miser sur la fission nucléaire. « Tout le monde sait depuis longtemps qu’en termes de propulsion dans l’espace, la rupture technologique sera le nucléaire. Les rendements entre une réaction chimique et une réaction nucléaire sont décuplés » explique Francis Rocard, responsable des programmes d'exploration du Système solaire au CNES.

La propulsion navale a montré qu'il était possible d’embarquer des systèmes propulsifs nucléaires, soit pour la production d'électricité (nucléaire électrique), soit pour insuffler directement la vapeur générée dans les turbines (nucléaire thermique). Ces deux modes d'utilisation de l'atome sont envisageables pour des applications spatiales.
 

Une idée antérieure à l’énergie nucléaire

Avant que l’énergie nucléaire n’émerge et ne produise son premier Kwh électrique, les pionniers de l'astronautique - Robert Goddart en 1907 ou Robert Esnault-Pelterie en 1911- avaient déjà imaginé l’utilisation de la propulsion nucléaire pour aller dans l’espace et sur la Lune.

C'est après la Seconde Guerre mondiale et l'utilisation opérationnelle de la fission nucléaire que les projets de propulsion spatiale se multiplient : Nerva et SP100 aux Etats-Unis, Topaz et Rorsat en URSS, Erato et MAPS en France.
 

Le nucléaire électrique pour aller plus loin

Dans la propulsion nucléaire électrique, l'énergie dégagée par la réaction en chaîne permet d'alimenter un moteur qui va alors ioniser un gaz propulseur et l’accélérer dans un puissant champ électrique.

L'avantage de ce système est qu’il produit une quantité relativement élevée d’électricité sur une longue période allant jusqu'à plusieurs années.

La poussée de la propulsion ionique alimentée par du nucléaire n'est toutefois pas suffisante pour quitter l'attraction terrestre. Cette option technologique est surtout envisagée pour le transport du fret car la durée des vols est longue.
 

Le nucléaire thermique : Mars en 39 jours

Le nucléaire thermique utilise directement la chaleur du réacteur pour chauffer les gaz et provoquer une expulsion. Et donc la propulsion. L'avantage de ce système est que l'efficacité du système réacteur/propulseur est plus élevée si l'on peut éviter une conversion en énergie électrique au milieu. Par contre, cette technologie ne peut être utilisée pour fournir de l'électricité au vaisseau spatial.

Selon Roland Lehoucq, astrophysicien au CEA et auteur de l’ouvrage Faire des sciences avec Star Wars, le nucléaire thermique permettrait de rejoindre Mars « en quelques semaines » au lieu des six mois nécessaires actuellement. La NASA en est également convaincue. L'Agence américaine travaille actuellement sur un mode de propulsion qui permettrait d'atteindre Mars en 39 jours !

En outre, le nucléaire thermique permettrait de tracer une trajectoire plus directe dans l'espace, au lieu d'essayer d'utiliser les champs gravitationnels des planètes pour déterminer la trajectoire, ce qui permettrait de raccourcir les temps de vols. La principale contrainte réside dans la résistance des matériaux. Lesquels doivent résister à une température du fluide (hydrogène) de 3 000 °C au contact du combustible…
 

Les ambitions russes

Il y a quelques mois, la holding nucléaire russe, Rosatom, a annoncé son ambition de tester à terre un moteur nucléaire dès 2018. L’objectif est d’atteindre Mars en 45 jours puis de ramener l’équipage sur Terre. Le prototype serait lancé avant 2025.

Rosatom n’a pas dévoilé les caractéristiques de son moteur à propulsion nucléaire. Selon toute vraisemblance, il s’agirait d’un moteur thermique : la chaleur issue de la fission nucléaire serait utilisée pour brûler de l’hydrogène ou d’autres éléments chimiques.

Pendant la guerre froide, les scientifiques soviétiques ont développé une véritable expertise dans l’utilisation électrique et thermique du nucléaire, particulièrement dans les réacteurs de petite capacité (5kWe) à courte durée de vie (un an). Dans les années 70 et 80, l’URSS a envoyé 34 réacteurs nucléaires dans l'espace pour approvisionner ses satellites en électricité.
 

Sur Mars, la base scientifique sera alimentée par le nucléaire

Dans son rapport Pathway to exploration (2014), la NASA s’intéresse à la technologie nucléaire comme source d’énergie pour alimenter les bases scientifiques martiennes. Une idée analogue avait été développée en 1974 par l’URSS qui avait imaginé une installation permanente sur la Lune, capable d’accueillir jusqu'à douze astronautes, alimentée par un réacteur nucléaire : le projet Zvezda.

« A l’inverse du film Seul sur Mars, alimenter une base avec des panneaux solaires est problématique. En réalité, pour fournir assez d’énergie, il faudrait l’équivalent d’un terrain de football à nettoyer chaque jour à cause du dépôt de poussière lié aux vents. Inimaginable ! Dans les faits, il faudrait un réacteur nucléaire pour alimenter une base martienne » explique Francis Rocard (CNES). Un avis partagé par les chercheurs du National Laboratory de l’Idaho pour qui la fission nucléaire produit de l’électricité de manière stable, indépendamment des conditions climatiques.

Une question subsiste : comment transporter le réacteur nucléaire jusqu’à la planète Mars ? Compte-tenu de la radioactivité et des risques d’accident (comme la désintégration de la fusée dans l’atmosphère lors du lancement), envoyer un réacteur en fonctionnement dans l’espace n’est pas envisageable… L’idée privilégiée est donc de le faire diverger une fois arrivé sur une orbite de sécurité (environ 2 000 kilomètres d’altitude). Reste qu’envoyer un réacteur non testé est une option peu satisfaisante qui va à l’encontre de la règle d’or du spatial « fly as you test and test as you fly »…

Tous ces projets montrent que l’énergie nucléaire est indispensable pour découvrir de nouveaux horizons. Cependant, les verrous techniques, financiers - envoyer l’Homme sur Mars coûtera très cher - et d’acceptation du public sont encore importants. Plusieurs décennies seront nécessaires avant que ces projets, aujourd'hui de papier, n’accouchent de véritables prototypes.


Crédit photo : DR