Le patron de l’agence spatiale américaine, Jared Isaacman, avait annoncé la couleur en présentant le programme Space Reactor-1 Freedom : « Nous faisons enfin sortir la propulsion nucléaire des laboratoires. ». Un mois après cette déclaration fracassante, la NASA donne de la matière à cette sortie avec la présentation de ses dernières avancées sur une technologie de propulsion électrique nucléaire.
C’est précisément au Jet Propulsion Laboratory (JPL), un centre de recherche associant la NASA et l’Institut de technologie de Californie (Caltech), que les choses ont bougé. En effet, les ingénieurs y ont testé un prototype dont le nom semble tout droit tiré de la science-fiction : on parle ici d’un propulseur MPD, pour magnétoplasmadynamique. Et en l’espèce, l’engin fonctionne avec de la vapeur de lithium.
L’idée de propulser un vaisseau spatial à l’électricité en lieu et place de la chimie n’est pas nouvelle, mais jusqu’ici les moteurs développés étaient cantonnés à de faibles puissances.
Le tour de force réside dans le changement d’échelle : le prototype mis au point au JPL a atteint une puissance de 120 kilowatts (kW). C’est plus de 25 fois la puissance des propulseurs de Psyche, la sonde qui a la propulsion électrique la plus forte de tous les engins spatiaux de l’agence spatiale américaine. Lancée en 2023, Psyche doit rejoindre en 2029 l’astéroïde métallique (16) Psyché pour l’étudier de plus près.
Si l’on en parle aujourd’hui, ce test a en réalité été effectué bien plus tôt dans l’année, le 24 février. Ce n’est que deux mois plus tard que la NASA a décidé de lever le voile sur cette expérimentation qui, de son propre aveu, a permis de faire tourner un tel propulseur « pour la première fois depuis des années et à des niveaux de puissance dépassant ceux de tous les essais précédents menés aux États-Unis ».
Pour cet essai, précise l’agence spatiale américaine, l’électrode en tungstène située au cœur du moteur a été véritablement chauffée à blanc, lors de cinq allumages successifs. La température atteinte a été pour le moins infernale, au-delà des 2 800 °C — presque la moitié de la température qui sévit à la surface du Soleil. Et dans la chambre vide refroidie à l’eau, on pouvait voir un panache de plasma rouge vif s’échapper de la tuyère.
Finie la chimie, place à l’électromagnétisme pour les voyages spatiaux
Mais comment cette technologie marche-t-elle sur le papier ? Pour faire simple, les fusées traditionnelles sont propulsées chimiquement. Les gaz qui servent à la poussée résultent d’une réaction chimique entre deux produits — on parle d’ergols dans l’industrie spatiale. C’est là que la propulsion électrique doit tirer son épingle du jeu, car elle consomme jusqu’à 90 % de propergol en moins, relève la NASA.
Au lieu de déclencher une combustion, le moteur MPD mise sur la physique des plasmas.
Il s’agit de chauffer du lithium métallique jusqu’à ce qu’il se transforme en un gaz électrifié. De puissants courants électriques entrent alors en interaction avec un champ magnétique. Ce champ accélère brusquement ce plasma de lithium et l’expulse dans le vide spatial à haute vitesse. Et c’est cette éjection continue qui crée la force de poussée pour faire avancer le vaisseau.
Le nucléaire, l’indispensable batterie de l’espace lointain
Clairement, le propulseur magnétoplasmadynamique regorge de promesses pour qui ambitionne de conquérir l’espace profond. « Les propulseurs MPD alimentés au lithium sont capables de fonctionner à des niveaux de puissance élevés, d’utiliser efficacement le propergol et de fournir une poussée nettement supérieure à celle des propulseurs électriques actuellement en service », relève d’ailleurs la NASA.
C’est là qu’entre en jeu le récent discours de la NASA sur le nucléaire dans la conquête spatiale. En effet, cette option technologique est endurante, stable et peu encombrante. Ce que l’agence note : « Une fois pleinement développés et associés à une source d’énergie nucléaire, ils pourraient permettre de réduire la masse au lancement et de prendre en charge les charges utiles nécessaires aux missions habitées vers Mars. »
La solution envisagée est donc le couplage technologique : un mini-réacteur nucléaire embarqué, comme ceux prévus dans le cadre des futurs projets de l’agence, fera office de centrale électrique, fournissant l’énergie nécessaire pour faire tourner ces propulseurs MPD au lithium. Ce n’est d’ailleurs pas un hasard si le développement de ce prototype au JPL est directement financé par le projet Space Nuclear Propulsion de l’agence spatiale.
Objectif Mars : le cap du mégawatt
Si cet essai à 120 kW est une étape satisfaisante, bien au-delà de ce qui a été fait jusqu’à présent aux USA, la route est encore longue et, surtout, il va falloir faire bien mieux. La NASA évoque déjà la perspective de concevoir un propulseur qui ferait plus de quatre fois mieux (pour passer le seuil des 500 kW) et davantage. L’horizon du mégawatt (1 MW) est ainsi mentionné, ce qui est 8,3 fois plus important que le jalon actuel.
Même à 1 MW, c’est hélas trop insuffisant pour que ça soit une propulsion sérieuse pour une mission habitée vers Mars. Dans ce cas, il faudra que les propulseurs magnétoplasmadynamiques changent d’échelle, pour qu’ils délivrent une puissance totale évaluée entre 2 et 4 MW. Tout cela, en étant extrêmement endurant : on parle d’un fonctionnement en continu pendant plus de 23 000 heures, soit plus de deux ans et demi.
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