L’énergie sans laquelle rien n’est possible

Comme chacun sait, l’énergie a quelque chose à voir avec la masse et la vitesse. Les corollaires sont la distance que l’on peut parcourir et le temps nécessaire pour le faire. Dans ce contexte, on peut être soit passif vis-à-vis de l’énergie, la recevoir (ou recevoir les particules qu’elle transporte), soit actif, la capter et l’utiliser pour exercer une poussée et se déplacer. Observer en recevant semble évidemment plus facile. On reçoit sur Terre, tous les rayonnements et toutes les particules qui circulent dans l’univers à la vitesse maximum de 300.000 km/s. Il s’agit d’analyser ces rayonnements et particules pour le comprendre et cela est moins facile. C’est toute la science de l’astronomie et de la spectrométrie (analyse de la lumière ou autres rayonnements émis ou réfléchis).

Exercer une poussée pour « aller sur » où « aller voir » est l’alternative. Savoir l’utiliser est la science de l’astronautique (évoquée dans mon article précédent). Notre rayon d’action dans ce cas est forcément limité. Il l’est (1) par la vitesse de la lumière, qu’on ne peut même pas rêver d’approcher au-delà d’un certain seuil (peut-être 0,2c soit 60.000 km/s et nous en sommes très loin) compte tenu des conséquences sur les masses et sur le temps lui-même (vitesses « relativistes »* qui commence vers 0,1c), et (2) par la durée de notre vie compte tenu des distances à parcourir. La sonde Voyager, l’objet fait de main d’homme qui est le plus loin de la Terre ne s’en trouve qu’à 20 heures-lumière et elle en est parti en 1977 (elle s’éloigne actuellement du soleil à 17 km/s) ! Alpha du Centaure qui est l’étoile de type solaire la plus proche est à 4,37 années-lumière. Notre galaxie a un diamètre de 100.000 années-lumière !

*Une vitesse relativiste est une vitesse à laquelle les effets de la relativité restreinte deviennent non négligeables. Ainsi le temps s’écoulerait plus lentement pour le passager d’un vol se déplaçant à une telle vitesse, que pour les hommes restés sur Terre. On peut penser que la distorsion de temps ne serait pas trop grave pour des voyages « courts » et une vitesse proche du seuil de 0,1c

Que ce soit par missions robotiques ou par missions habitées, notre domaine d’évolution astronautique est donc restreint à notre système solaire tant que nous ne maîtrisons pas d’autres systèmes de propulsion que ceux d’aujourd’hui. De toutes façons, ce domaine restera limité par le temps et par la quantité d’énergie que l’on peut utiliser (masse et puissance), à notre système et à ses proches voisins. Mais quelles sont les formes possibles de cette énergie ?

La plus simple, et qui reste incontournable pour le décollage du fait de son « impulsion spécifique », « Isp », très élevée (force qu’elle procure à un moteur en fonction de la quantité de carburant consommée par unité de temps) et de sa capacité polluante acceptable, est la propulsion chimique, un oxydant et un réducteur (« propergols ») qui réagissent à forte pression dans une chambre à combustion, l’énergie thermique ainsi dégagée étant convertie en énergie cinétique, propulsive par détente dans une tuyère. Comme couple oxydant / réducteur, le plus évident est l’hydrogène brûlant dans l’oxygène mais une bonne alternative à l’hydrogène est le méthane (CH4). Il s’évapore moins facilement des réservoirs et on pourrait facilement l’extraire de l’atmosphère de CO2 de Mars en combinant ce gaz avec l’hydrogène de l’eau martienne, en présence d’un catalyseur de nickel (réaction dite « de Sabatier » qui date de la fin XIX / début du XXème siècle).

Les problèmes de l’énergie chimique sont la masse des ergols nécessaires pour la produire (et à arracher à la gravité planétaire) et son corollaire, la faible durée pendant laquelle la poussée qu’elle génère peut s’exercer (la masse brulée s’épuise vite). Le principe consiste donc à utiliser deux ou trois combustions successives : au sol pour le décollage, puis pour l’élancement du deuxième étage (les deux ne peuvent faire qu’un seul) pour mise sur orbite de parking et enfin, à un certain point de l’orbite de parking, pour injection sur un arc d’orbite circumsolaire vers l’objectif planétaire à atteindre. Il ne faudra alors plus que quelques petits ajustements (« corrections de trajectoire »), par des impulsions complémentaires très brèves et relativement peu consommatrices d’ergols pour arriver dans l’environnement visé. Si l’on veut ensuite « descendre » en surface de la planète sans s’y écraser, c’est une autre histoire, celle de l’« EDL » (« Entry, Descent, Landing »). Disons rapidemment que l’EDL est comparable à la mise en orbite (nécessité d’une poussée forte et très rapide) mais qu’à la différence de la mise en orbite, on peut tirer profit de l’atmosphère, quand il y en a (!) pour diminuer la consommation d’énergie. Mars en a un peu et l’économie qu’elle procure n’est pas négligeable.

L’énergie nucléaire est une alternative à la propulsion chimique mais uniquement pour la phase suivant l’injection transplanétaire. Au sein de celle-ci il faut distinguer la propulsion nucléaire thermique (« NTP ») et la propulsion nucléaire électrique (« NEP »). Dans le premier cas on éjecte par une tuyère de l’hydrogène préalablement chauffé par un réacteur. C’est intéressant sur le plan des masses d’ergols puisqu’on obtient la même poussée qu’avec la propulsion chimique mais avec la moitié de ce qu’elle consomme. Malheureusement le réacteur nucléaire est très lourd, les réservoirs d’hydrogène très volumineux et les tests sur Terre (ou l’utilisation dans l’atmosphère) pratiquement exclus (risque de retombées radioactives). La propulsion nucléaire électrique (moteurs « RTG » pour « Radioisotope Thermoelectric Generator ») est encore plus intéressante sur le plan de la consommation des ergols car on peut réduire leur masse de 5 à 10 fois. Le système fonctionne en boucle fermée et peut donc être beaucoup mieux sécurisé. Il ne fait que fournir de l’électricité à des propulseurs électriques (la chaleur résultant de la desintegration du combustible radioactif est transformée en électricité). Ceux-ci ionisent un gaz pour former un plasma qui est ensuite accéléré par des champs électriques et magnétiques. Le problème de cette NEP c’est que la poussée, proportionnelle à la puissance que l’on peut raisonnablement produire est très faible (quelques kW). Son avantage c’est qu’elle peut durer très longtemps. Les Américains l’utilisent donc pour la propulsion de petites masses (hors sphère de Hill terrestre c’est à dire lorsque le vaisseau ne peut plus retomber sur Terre !) pour le fonctionnement des appareils en alternative aux panneaux solaires (Apollo, Pioneer, Voyager, Viking, Galileo, Ulysses, New Horizon, Cassini, Curiosity) notamment pour les missions lointaines, dans des zones où l’irradiance solaire est devenue trop faible du fait de la distance.

On a le même problème de puissance avec l’énergie photonique provenant du rayonnement solaire. En effet le flux de photons de l’étoile (notre soleil) est constant mais sa poussée est très faible. On peut donc l’utiliser comme la propulsion nucléaire électrique une fois que la sonde ou le vaisseau sont lancés dans l’espace pour les accélérer, très lentement mais continument. Une difficulté complémentaire mais rédhibitoire (en fonction des objectifs !) vient de ce que plus on s’éloigne du soleil, plus l’intensité du rayonnement diminue. Déjà au niveau de l’orbite martienne l’irradiance est légèrement inférieure à la moitié de ce qu’elle est à celui de l’orbite terrestre. Une solution à l’étude est d’utiliser un rayonnement photonique actif plutôt que passif, c’est-à-dire de pousser la voile non pas avec le rayonnement de l’étoile mais avec la lumière de lasers. C’est ce qu’étudient actuellement les ingénieurs participants au projet Breakthrough Starshot qui se proposent d’envoyer des microsondes dans le domaine d’Alpha Centauri. Mais pour les masses importantes (les missions habitées) c’est encore de la science-fiction car cette propulsion ne peut être vraiment efficace (et d’autant plus efficace) que si la masse à déplacer est faible.

Il faut donc espérer des progrès dans le domaine de la propulsion photonique ou de la propulsion nucléaire électrique mais ce n’est pas demain, hélas, que l’on pourra voir voler de beaux vaisseaux comme le Dragonfly de Robert Forward ou l’Hermès du film « Seul sur Mars ». En attendant ces magnifiques « clippers », nous devrons nous contenter de notre « caravelle » à propulsion chimique (ce qui n’est déjà pas si mal). Il nous faut être patients et accepter des voyages assez longs (six mois tendant vers quatre, voire trois mois pour aller sur Mars).

De toute façon pour décoller et aller jusqu’à l’orbite de parking avant le grand départ, étant donné que la NTP est exclue pour le risque qu’elle représente, aucune autre énergie n’est suffisamment puissante (on pourrait dire « brutale ») que l’énergie chimique pour arracher les vaisseaux à l’attraction terrestre. La limitation vient de ce qu’il faut donner très rapidement une poussée supérieure à la masse soulevée et pour atteindre la puissance nécessaire il faut consommer énormément d’énergie. Par exemple pour soulever un vaisseau de 4400 tonnes comme le BFR d’Elon Musk (chargé d’ergols) et le placer en orbite terrestre « de parking », il faudra avec un lanceur (« 1er étage ») exercer une poussée initiale de 5400 tonnes (pour référence la masse de la Tour Eiffel est de 10.100 tonnes). Une fois la poussée effectuée, le réservoir du lanceur sera presque vide et il redescendra sur Terre, ne laissant en orbite que les 180 tonnes « sèches » du vaisseau (les réservoirs du vaisseau seront remplis ensuite à nouveau par une succession de quatre vols avitailleurs).

Capter et utiliser l’énergie est difficile. L’homme s’y emploie depuis l’aube des temps. Les progrès récents nous ouvrent des perspectives extraordinaires. Ne nous refusons pas le plaisir de saisir les opportunités qu’elles nous permettent, et de rêver aux autres.

Image à la Une: BFR (“Big Falcon Rocket”, SpaceX) au sol. La taille du petit personnage en dessous à droite, donne l’échelle ! Le lanceur fait 58 mètres, le vaisseau 48 mètres, le diamètre 9 mètres, le total 106 mètres. L’essentiel de la longueur du lanceur correspond au réservoir. 

Image ci-dessous: vue des moteurs du BFR, à droite les 31 moteurs Raptor du lanceur; à gauche les 4+2 moteurs du vaisseau spatial :

Image ci-dessous: vue d’artiste d’une voile Solaire conçue par le « In-Space Propulsion Technology Office » du « Marshall Space Flight Center » de la NASA, à Huntsville (Alabama). Le programme de cet office est conduit par le Centre Marshall pour le compte du « Science Mission Directorate » de la NASA.

Pierre Brisson

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l’Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d’entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

11 réponses à “L’énergie sans laquelle rien n’est possible

  1. La présentation de M. Brisson sur l’énergie nucléaire ne met pas clairement en évidence les caractéristiques principales de celle-ci, qui justifient que l’on s’y intéresse pour la propulsion (et autres applications énergétiques) spatiale(s).
    Le principal atout de l’énergie nucléaire est son énorme “densité énergétique” : env. 83 millions de MJ/kg d’uranium-235 contre env. 16 MJ/kg (MJ=millions de Joules, unité d’énergie du système international) pour la meilleure réaction chimique (hydrogène-oxygène : H2 + 1/2 O2) ! Avec pour corollaire un très faible taux de consommation du combustible, qui permet à un réacteur nucléaire de fonctionner des années avec la même charge de combustible. Mais ce n’est pas l’unique avantage de cette forme d’énergie pour la propulsion ; la science thermodynamique nous enseigne en effet que la vitesse d’éjection des gaz, directement liée à l’impulsion spécifique, est proportionnelle à la racine carrée de la température de ces gaz divisée par la masse molaire de ceux-ci. Or non seulement la température peut être plus élevée dans le cas de l’énergie nucléaire mais en outre la masse molaire est dans ce cas (H2) neuf fois plus faible que dans la réaction chimique (qui éjecte de l’H2O) ; on gagne donc sur tous les tableaux ! Le résultat est que l’impulsion spécifique peut dépasser 800 s pour l’énergie nucléaire contre seulement 435 s pour le mélange hydrogène-oxygène, le plus performant en propulsion chimique. Ce n’est donc pas cette caractéristique qui fait écarter l’énergie nucléaire pour le décollage, mais uniquement des questions de sécurité. De même, il n’est par conséquent pas correct de dire que dans le cas de l’énergie nucléaire “on obtient la même poussée qu’avec la propulsion chimique mais avec la moitié de ce qu’elle consomme” (en plus des considérations ci-dessus, le rapport de la masse d’hydrogène à celle d’oxygène dans la combustion est de 1 à 8). Alors, que des avantages l’énergie nucléaire ? Evidemment, non, “nobody’s perfect” comme disent nos amis anglo-saxons. Le gain de masse est compensé par celle, importante, du réacteur, surtout en tenant compte du blindage nécessaire contre les radiations, autre inconvénient de ce type d’énergie. Le contrôle du réacteur est aussi plus délicat dans l’espace, en l’absence de pesanteur (on résout le problème en remplaçant les barres de contrôle par des cylindres rotatifs en périphérie du réacteur dont une moitié est constituée d’un matériau absorbant les neutrons). Mais globalement, l’énergie nucléaire est sans conteste une, si ce n’est “la”, solution d’avenir pour les misions spatiales habitées lointaines.

    1. Certes l’Isp de l’énergie nucléaire est bien supérieure à celle de l’énergie chimique (combustion) mais comme le risque de pollution radioactive est considérable, un départ de la Terre avec un moteur nucléaire est inenvisageable (j’évoque d’ailleurs ce risque de pollution).
      Dans l’espace un système de propulsion nucleaire requérerait une protection de l’habitat extrêmement massive. Donc pour le moment le lanceur puis le vaisseau habité utilisant l’énergie nucléaire sont exclus car irrealistes.
      Quant à la “puissance par unité de temps”, merci pour la leçon de physique mais j’avais choisi d’etre redondant pour mieux me faire comprendre.
      Quant à la confusion entre NEP (fonctionnant en circuit fermé) et NTP. Il n’y en a aucune. Merci.

  2. En plus des considérations sur l’énergie nucléaire, il me semble nécessaire de rectifier quelques formulations peu appropriées dans la présentation de ce jour. Le principe des lanceurs à plusieurs étages par exemple n’est pas correctement expliqué. Il ne s’agit pas de fractionner la combustion, on aimerait au contraire qu’elle reste aussi continue que possible durant la montée, mais de se débarrasser de la masse de réservoirs vides pour éviter de dépenser inutilement de l’énergie à les propulser plus haut/loin encore. L’idéal de ce point de vue serait de multiplier les étages, mais ce n’est évidemment pas possible pour des questions pratiques ; la configuration optimale, pour de gros lanceurs, est en général obtenue avec deux ou trois étages.
    Attention également, il est erroné de parler de “puissance par unité de temps”, une puissance (qui s’exprime en Watts) étant déjà une énergie par unité de temps (1 Watt = 1 Joule par seconde) !
    Il y a par ailleurs semble-t-il une confusion entre les générateurs isotopiques (RTG), utilisés essentiellement jusqu’ici pour l’alimentation en énergie électrique des appareils de sondes ou des rovers (“Curiosity” par exemple) et la propulsion nucléaire électrique (plus précisément, propulsion ionique). SI on parle de système fonctionnant de manière plus sécurisée en boucle fermée pour fournir de l’électricité dans ce dernier cas, il. s’agit alors à l’évidence d’un réacteur nucléaire, pas d’un générateur isotopique.

    1. Je me suis mal fait comprendre. Il ne s’agit évidemment pas d’arrêter la poussée entre le premier et le deuxième étage alors qu’il s’agit de monter le plus vite possible en orbite de parking. Je dis d’ailleurs qu’il peut n’y avoir qu’un seul étage (et donc a priori une combustion continue) pour monter en orbite. Tout le monde a d’ailleurs pu constater lors d’un lancement que la mise à feu du second étage (quand il y en a un!) intervient très vite après que le premier étage ait été libéré.
      La seule grosse différence entre le chimique et le nucleaire, ou le solaire, c’est que, ensuite, du fait de la masse des carburants chimiques il ne peut plus y avoir de propulsion continue et on procède à une autre mise à feu et une seulement, qui declenche une phase de combustion aussi courte que pour le décollage, pour mise en orbite transplanétaire. Avec le solaire et le nucléaire on peut avoir une pulsion continue mais faible pendant tout le voyage.

  3. Bonsoir à tous les deux,

    Je me permets de participer à cette échange au sujet de la propulsion et du nucléaire spatial.
    Selon moi, le gain du nucléo-thermique n’est pas suffisant par rapport aux contraintes engendrées. La protection contre les radiations alourdit considérablement le réacteur, son coût extrêmement élevé ne peut s’envisager que dans le cadre de la réutilisation, bref le jeu n’en vaut pas la chandelle.
    Maintenant, disposer d’un “bon” réacteur nucléaire compact pour produire de l’électricité apporte un tout autre avantage. On peut espérer que dans un avenir pas trop éloigné nous disposions de propulseurs ioniques ou plasmiques de puissance conséquente et avec une ISP de plusieurs milliers. Le dit réacteur permettra de les alimenter de manière plus commode qu’une forêt de panneaux solaires fixés au vaisseau.
    Le plus gros problème sera l’opinion publique qui risque de s’émouvoir outre mesure à l’idée d’une charge d’uranium enrichi ou de plutonium envoyé orbite.

    1. Merci de ce commentaire constructif et courtois (ce qui n’est pas le cas de tous).
      J’espère moi aussi que la technologie du nucléaire continuera à faire des progrès, même si obtenir une Isp de plusieurs milliers pour des propulseurs ioniques ou plasmiques me semble un peu improbable…mais je ne suis pas un spécialiste!
      Pour le moment de toute façon, il me semble tout à fait impossible compte tenu de l’état de l’opinion, de faire décoller de la surface de la Terre un vaisseau spatial lourdement chargé en matières radioactives.

    2. Vous avez raison Monsieur Philippon de souligner en particulier que le “nucléo-thermique” ne se justifie évidemment que dans le contexte d’engins réutilisables, ce vers quoi on se dirige de toute façon de plus en plus, à tous les stades (lanceurs, vaisseaux, “atterrisseurs” … ) dans le domaine spatial (voir en particulier les propositions d’Elon Musk).
      D’accord aussi pour penser que seul un réacteur nucléaire – et non un générateur isotopique – pourra le cas échéant fournir l’énergie nécessaire à la propulsion ionique (relativement) “de puissance” surtout s’il s’agit de propulser des engins vers les planètes extérieures.
      En ce qui concerne les réticences de l’opinion publique, il faut noter premièrement que l’on a déjà envoyé des engins avec des charges de plutonium dans l’espace sans que cela soulève trop de vagues. Deuxièmement, un réacteur qui n’a pas encore fonctionné ne présente pas un très gros risque radioactif (raison pour laquelle on ne le fait pas fonctionner depuis le sol d’ailleurs); l’uranium et le plutonium sont certes radioactifs, mais relativement faiblement, ce sont le produits de fission surtout qui posent problème et ils n’apparaissent qu’avec le fonctionnement du réacteur.

      1. @ PA HALDI
        Le nucléaire spatial est un sujet sensible et les divers agences évitent de trop communiquer sur ce point. On remarquera que dans le film ‘Seul sur Mars” la source d’énergie de l’Hermès n’est même pas évoqué alors que dans le livre on précise que c’est un petit réacteur thermonucléaire.
        Bref, il suffirait d’un courant d’opinion inopportun ou d’un accident malencontreux pour pour perturber/interdire le lancement du combustible destiné à ce réacteur.

        @ P BRISSON
        Après quelques recherches sur le NET j’ai pu vérifier que les ISP des moteurs Ioniques, plasmiques et magnéto-plasmique sont toutes supérieures à 1000 s et que des valeur de 3000 s à 5000 s sont courantes. Le moteur VASIMR par exemple vise une ISP de 5000 s dans sa version 200kW qui devrait être embarquée à titre expérimental sur l’ISS.
        Pour finir sur une note optimiste, il est toujours possible que l’EM-Drive fonctionne en dépit des principes physiques couramment admis et qu’en plus de nous obliger à revoir nos théories, il nous apporte un moyen de propulsion inespéré. 😉

        1. Merci pour ce commentaire.
          Bien noté les possibilités extraordinaires d’Isp des moteurs magneto-plasmiques.
          Cependant la réalisation pratique de VASIMR n’est pas évidente. L’association Planète Mars fait remarquer que l’énergie primaire nécessaire à son fonctionnement est extrêmement importante et implique une masse à embarquer totalement rédhibitoire.

          1. Merci pour la remarque 😉
            Je suis au courant de l’opinion que Robert Zubrin a de Franklin Chang Diaz et du VAZIMR.

        2. C’et juste que l’opinion publique est versatile et qu’il faut se montrer très prudent dans ce domaine. En ce qui concerne un accident potentiel, je réitère cependant que pendant la phase d’ascension la présence à bord d’un réacteur nucléaire n’ayant pas encore fonctionné n’engendre pas un très gros risque; mais c’est clair que les médias en feraient certainement de gros titres, avec l’impact qu’on imagine! C’est d’ailleurs vrai de tout accident majeur qui affecterait une mission habitée martienne par exemple, avec ou sans dispositif nucléaire à bord. Raison pour laquelle je préconise de ne pas (trop) précipiter le premier envol d’astronautes vers Mars; un échec pourrait “tuer” toute nouvelle tentative pour au minimum de longues décennies, voire plus.
          En ce qui concerne le film “Seul sur Mars” (bourré d’invraisemblances d’ailleurs), il est vrai que la source d’énergie pour l’Hermès n’est pas évoquée explicitement, même si pour un tel vaisseau il n’y a pas 36 solutions sur ce plan.

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