Pourquoi pas un Starship à propulsion nucléaire pour compléter les capacités du Starship à propulsion chimique ?

Avec la propulsion nucléaire thermique (« NTP ») le voyage jusqu’à Mars pourrait durer deux mois au lieu de six. Cela serait très appréciable pour les passagers humains puisque, notamment, le temps d’exposition aux radiations cosmiques serait réduit de quatre mois. Ceci dit, les transports d’équipements ne requérant pas de protection-antiradiations particulière pourront toujours se faire à bord de vaisseaux Starship à propulsion chimique. On peut donc envisager, en créant une version NTP du Starship « classique » à propulsion chimique, d’utiliser pour les deux versions un accès à l’orbite terrestre en utilisant le même lanceur SuperHeavy. De toute façon nul vaisseau à NTP ne sera autorisé à partir de la Terre une fois son réacteur à fission activé et, une fois le réacteur activé en orbite haute, aucun de ces vaisseaux ne sera autorisé à revenir sur Terre.

Il faut donc réfléchir à la possibilité de cette adaptation en sachant que cette solution impose un entretien du vaisseau NTP resté en orbite haute (si on veut s’en servir plus d’une fois !) ainsi qu’un transbordement des passagers et de leurs bagages sur cette même orbite ; ces deux opérations pouvant être effectuées par un Starship à propulsion chimique monté sur un SuperHeavy mieux qu’avec n’importe quel autre lanceur (volume et masse transportés). Au retour de Mars, le problème sera assez semblable puisque si le Starship n’aura pas besoin d’un lanceur SuperHeavy pour repartir du sol de la planète (gravité plus faible), la version NTP ne sera pas davantage autorisé à repartir du sol de Mars (après y être descendu) puisque cette planète possède aussi une atmosphère susceptible de transporter des particules irradiantes et que, par principe, elle sera en cours de colonisation humaine. Il faudra donc prévoir que le vaisseau NTP reste en orbite et que la navette entre le sol et l’orbite se fasse là aussi, avec une navette Starship à propulsion chimique.

Mais un préalable pour envisager ce mode de transport est de savoir si un vaisseau spatial serait compatible avec un SuperHeavy, ou plus précisément si un Starship à propulsion chimique pourrait être converti en vaisseau NTP en conservant le même volume dans la même coque, en n’excédant pas la masse pouvant être propulsée par un lanceur SuperHeavy et en restant adaptable à ce lanceur (docking, activation du réacteur aussitôt que possible après que le Starship aura été libéré par son lanceur). Après avoir lu les documents en référence ci-dessous, je pense qu’il est possible d’aménager une telle compatibilité mais je laisserai mes amis ingénieurs le confirmer par leurs calculs.

Voyons d’abord les risques auxquels on s’expose avec une propulsion NTP. Il s’agit plus précisément des radiations résultant des fuites de neutrons qui sortiront du réacteur, et du rayonnement gamma secondaire induit par l’impact des neutrons sur divers obstacles. Les fuites de neutrons sont d’autant moins négligeables que le réacteur est puissant et il faut qu’il soit puissant pour propulser un vaisseau spatial vers Mars. L’étude en référence mentionne 0,5% pour un réacteur d’une puissance de 1000 MW. Cela donne un ordre de grandeur. C’est peu en pourcentage de ce que produit la fission mais c’est beaucoup en valeur absolue, surtout considérant la durée d’exposition, même si le réacteur ne fonctionne pas pendant toute la durée du voyage.

Comment s’en protéger ? Il y a plusieurs solutions et elles sont cumulables : (1) la réserve de gaz utilisée comme élément propulsif, étant bien compris que la quantité de ce gaz diminue avec le temps puisqu’il est éjecté dans l’espace ; (2) la distance mise entre le réacteur et l’habitat ; (3) un bouclier en matière appropriée, d’une forme adéquate et bien positionné par rapport au réacteur et à l’habitat.

Concernant le gaz, le plus probable car le plus efficace (le plus léger) est qu’on utilisera l’hydrogène. L’avantage pour la protection est que cet élément chimique est constitué d’un seul proton autour duquel orbite un seul électron. Face aux projections de neutrons, le proton unique de l’hydrogène constitue un excellent absorbeur d’énergie (beaucoup plus que les atomes de numéro atomique élevé qui peuvent éclater à l’impact, ce qu’on appelle la « fission »). L’inconvénient ce sont les fuites qui résultent de la très faible masse de la molécule d’hydrogène et qui nécessite un réservoir particulièrement étanche donc massif. Mais on parle de plus en plus de « powerpaste* » qui permet de piéger de l’hydrogène dans un matériau stable et transportable (hydrure de magnésium, MgH2 avec adjonction de quelques sels métalliques pour stabiliser le produit) avec reconversion facile et rapide en présence d’eau (MgH2 +2 H2O => 2 H2 + Mg(OH)2. Une partie importante de l’hydrogène (celle qui n’est pas utilisable dans l’immédiat) pourrait être transportée sous cette forme

*Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and advanced materials (IFAM), filiale de Fraunhofer Gesellschaft, Dresde.

Concernant le bouclier, le plus probable est qu’on utilisera principalement du carbure de bore (B4C). Cette matière est quatre fois plus légère que l’acier inoxydable (qui constitue la coque du Starship) et utilisée généralement dans les réacteurs à fission pour interrompre la diffusion des neutrons (lorsqu’on veut mettre le moteur à l’arrêt). Ce bouclier devra éviter que des neutrons émis par la réaction lors de l’utilisation des moteurs, parviennent à l’habitat. Mais il devra aussi éviter que ces neutrons réchauffent l’hydrogène dans son réservoir pour ne pas risquer son ébullition ou sa cavitation avant son chauffage pour expulsion. Par ailleurs certains équipements (circuits électroniques ou actionneurs motorisés) pourraient souffrir des radiations. Enfin il ne faut pas oublier le rayonnement gamma qui, lui, ne sera pas sensible à l’écran formé par l’hydrogène et qui ne pourra être contenu que par un élément à numéro atomique très élevé (le plomb). Le bouclier devra donc être constitué essentiellement de carbure de bore avec une couche aussi fine que possible (mais quand même suffisante pour être efficace) de plomb du côté exposé au réacteur.

Maintenant, le volume et la position du bouclier seront très importantes. Dans l’espace, les radiations parviendront en ligne droite du réacteur à l’intérieur du vaisseau. Pour se protéger, il conviendra donc de placer un disque orthogonal au réacteur, aussi épais que nécessaire, avant les réservoirs d’hydrogène et au plus près des moteurs. Le disque déterminera avec le réacteur, un cône dans l’ombre duquel la protection sera maximum (« shadow shield »). Si le bouclier a lui-même une forme de cône avec son sommet vers le réacteur, cela facilitera l’évacuation des radiations en dehors du corps du vaisseau et, par ailleurs, la trajectoire possible des neutrons à l’intérieur du bouclier sera étendue. Dans ce cas, l’épaisseur sur la périphérie du cône pourra être réduite mais l’épaisseur au droit du sommet du cône, devra être renforcée.

Le bouclier sera donc un cône de quelques centimètres d’épaisseur sur toute la section de la coque du Starship (diamètre de 9 mètres). La masse volumique du carbure de bore étant de 2,5 g/cm3, et celle du plomb 11,3 g/cm3 on voit tout de suite que les masses seront importantes (un disque de carbure de bore de 9 mètres de diamètre et de 5 cm d’épaisseur aurait une masse de 8 tonnes, un disque de plomb de même diamètre et de 0,5 cm d’épaisseur aurait une masse de 3,5 tonnes) d’autant que la forme conique du bouclier implique une masse plus importante qu’un simple cylindre. A noter qu’en plus de la masse du bouclier, le Starship devra embarquer un réservoir d’hydrogène avec son revêtement isolant pour éviter les fuites, plus une réserve d’eau pouvant libérer l’hydrogène à partir du powerpaste et bien sûr une réserve de powerpaste contenant la quantité d’hydrogène nécessaire à l’approvisionnement des moteurs (10 kg de powerpaste pouvant contenir 1 kg d’hydrogène). Ce réservoir remplacera les réservoirs de méthane et d’oxygène nécessaires à la propulsion chimique, pour une masse sans doute équivalente.

Quelle que soit la masse nécessaire pour le bouclier, pourvu qu’il ne dépasse tout de même pas une vingtaine de tonnes, on peut penser que le Starship classique pouvant transporter une masse utile de 100 tonnes ou 100 personnes jusqu’à Mars, il restera suffisamment de capacité d’emport pour transporter un équipage de dix à douze personnes sur Mars avec leurs vivres et équipements. Dans l’étude en référence, une enceinte supplémentaire est prévue autour de l’habitat pour le protéger des radiations cosmiques. Alternativement on peut prévoir de placer les réserves d’eau et de vivres dans des compartiments autour de l’habitat. Leur contenu en hydrogène donnerait une très bonne protection contre le flux régulier de protons portés par le vent solaire et l’eau pourrait récupérer la chaleur fatale provenant des réacteurs pour chauffer la partie habitable du vaisseau.

Schéma d’un vaisseau NTP avec son « shadow shield ». Vous remarquerez que sa forme est semblable à celle d’un Starship

Je ne dispose pas des éléments nécessaires pour démontrer que les hypothèses que j’avance dans cet article sont réalistes ou ne le sont pas. Si des lecteurs sont intéressés à calculer la faisabilité de ce Starship, je suis intéressé à dialoguer avec eux.

A noter que d’autres vaisseaux spatiaux que le Starship sont possibles, notamment ceux ayant une architecture au sein de laquelle l’habitat est séparé du réacteur par une structure métallique de longueur suffisante pour réduire les radiations à un niveau acceptable (d’autant qu’au début du voyage le réservoir d’hydrogène entre le réacteur et l’habitat ajouterait une protection supplémentaire).

L’avantage d’utiliser un Starship adapté (avec transposition des moteurs et du réservoir pour la propulsion NTP, dans le même volume) serait que l’on pourrait utiliser le SuperHeavy pour le porter jusqu’à l’orbite terrestre en même temps qu’on continuerait à utiliser le SuperHeavy pour mettre des Starship à propulsion chimique en orbite. Eventuellement, on pourrait ajouter entre le SuperHeavy et le Starship NTP, un deuxième étage “tampon” à propulsion thermique* capable de pousser le Starship sur une orbite suffisamment haute où il aurait tout le temps de mettre en route la propulsion NTP. Ce deuxième étage serait évidemment récupérable. L’ennui avec cet ajout c’est qu’on commence à modifier la coque du Starship et donc on renonce à une certaine standardisation du vaisseau (par ailleurs si on ajoute un volume complémentaire en hauteur, on modifie l’équilibre général SuperHeavy + Starship).

*comme je crois le propose Xavier Philippon.

Quoi qu’il en soit, ma conclusion est qu’il faudra réfléchir à deux fois avant de jeter le Starship avec l’eau du bain de la propulsion chimique car on devrait toujours en avoir besoin.

Liens :

https://www.mragheb.com/Nuclear%20Propulsion%20Choices%20for%20Space%20Exploration.pdf

https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20150006884/downloads/20150006884.pdf

https://www.iter.org/newsline/-/3552

https://www.discoverthegreentech.com/powerpaste-pate-stocker-hydrogene/

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.

50 réponses à “Pourquoi pas un Starship à propulsion nucléaire pour compléter les capacités du Starship à propulsion chimique ?

  1. Si le vaisseau ne sert qu’à faire l’aller retour entre l’orbite terrestre et l’orbite martienne car ne pouvant plus revenir sur terre ou mars une fois le réacteur activé, je ne vois pas l’utilité de prendre un starship, autant utiliser un vaisseau construit par morceaux comme l’ISS car il n’y a pas de contrainte de pesanteur et de rentrée atmosphérique.

    1. Je crois M.C que vous ne comprenez pas le problème posé. Comment aller vous porter en orbite les modules nécessaires au voyage interplanétaire sinon avec un lanceur (genre SuperHeavy) et pourquoi utiliser une multitude de lanceurs pour apporter des masses importantes en orbite plutôt qu’un gros lanceur (SuperHeavy) assorti d’un vaisseau porteur pouvant contenir des charges utiles lourdes et volumineuses). Il serait beaucoup plus coûteux, à tout point de vue (matériaux, ergols, financements) d’utiliser un grand nombre de petits vaisseaux qu’un seul. Pour ne prendre qu’un exemple, un gros réservoir d’ergols a une masse beaucoup moins importantes qu’une dizaine de réservoirs transportant la même quantité d’ergols; cela a à voir avec le rapport de la progression de la masse d’un volume avec celle de la masse de l’enveloppe. Il ne faut pas oublier que la surface est proportionnelle au carré de la dimension linéaire alors que le volume est proportionnel au cube de la dimension linéaire

      1. Pourquoi voulez-vous absolument que des modules soient lancés par de petits lanceurs? Si on dispose d’un gros lanceur (réutilisable qui plus est), il peut tout aussi bien servir à lancer d’un coup plusieurs, des modules à assembler ensuite. Par ailleurs, seulement pour aller sur la Lune, le Starship nécessiterait de l’ordre de 8 lancements de Starships tankers selon SpaceX (certains experts vont même jusqu’à prétendre qu’il en faudrait 16). donc, de multiple lancements seront de toute façon nécessaires, et ce n’est pas vraiment un problème rédhibitoire avec un lanceur réutilisable.

        1. Je crois qu’il y a erreur sur le destinataire de la réponse. Je ne tiens absolument pas “à ce que des modules soient lancés par de petits lanceurs”. C’est bien le contraire puisque je préconise que ce soit le Starship à propulsion chimique qui apporte en orbite les passagers et les équipements nécessaires jusqu’au Starship NTP en attente en orbite.

          1. Ce que je ne comprends par c’est l’utilité du Starship NTP, aucune contrainte spécifique de rentrée dans l’atmosphère (bouclier etc) ni de résistance à la pesanteur, donc autant faire un vaisseau interplanétaire modulaire et réutilisable capable d’emporter la capacité de plusieurs Starships en fret et passagers avec des modules spécifiques, le tout propulsé par un moteur nucléaire que l’on peut positionner très loin (un peu à la 2001 odyssée de l’espace) et qui peut service pour de multiples A/R habités ou non.
            L’approche d’un vaisseau à tout faire type navette spatiale a montré ses limites, autant spécialiser les lanceurs et modules/vaisseaux afin de réduire le nombre de vaisseaux et partir vers mars avec un vaisseau bien plus grand que le starship mais qui lui restera toujours en apesanteur.

          2. On peut faire beaucoup de choses. Mais l’intérêt d’adapter le Starship à la propulsion NTP, c’est d’utiliser quelques chose qui existe (la coque du Starship et beaucoup de ses équipements aussi bien externes qu’internes) et qui peut être porté dans l’espace par un lanceur qui existe, le SuperHeavy.

          3. @M.C.: Je suis bien d’accord avec vous, comme je l’ai exprimé dans mes commentaires. J’ai bien peur que SpaceX soit en train de répéter l’erreur faite par la NASA avec la navette spatiale qui a figé le développement du spatial habité aux Etats-Unis pour des décennies et est à mon avis une des raisons principales pour laquelle nous ne sommes toujours pas allés sur Mars. Dans des domaines complexes et évoluant vite, l’approche modulaire (une fonction principale un module) me semble de loin préférable à la solution “engin à tout faire monolithique”, car permettant de s’adapter rapidement et à moindre coût (mammifères vs dinosaures :-)). Tout en continuant à utiliser un lanceur lourd réutilisable du type Super-Heavy, ce qui n’est pas du tout incompatible.

    2. M.C.
      Je partage ce point de vue. Il me semble plus judicieux d’utiliser le booster du Starship pour envoyer sur orbite les éléments d’un vaisseau NTP.

  2. Cher Pierre B.
    J’ai envie de croire qu’une telle possibilité un jour sera possible, pour le bien de l’humanité, et surtout des hommes d’aller plus loin ! J’en rêve !
    Amitiés Jean-Philippe V.

  3. Comme je l’ai écrit précédemment, on peut toujours imaginer beaucoup de choses en matière spatiale mais encore faut-il vérifier par des évaluations chiffrées que ce que l’on envisage reste dans le domaine du possible et réalisable. Sinon, cela revient à “sculpter le Bon Dieu dans les nuages” :-). Je vais essayer de le faire pour le “Starship nucléaire” proposé ici (ou plutôt “Atomship”, car il ne restera au final pas grand-chose je le crains du concept initial du Starship), mais cela va me demander un peu de temps pour faire les calculs et autres vérifications nécessaires.
    Une remarque préalable concernant une question qui semble particulièrement préoccuper Monsieur Brisson, celle de la “standardisation”. Celle-ci est très relative pour le Starship; on compte déjà pas moins d’une demi-douzaine de versions différents de ce vaisseau censé être “universel” (!) – Starship Cargo, Starship Tanker, Starship Crew, Starship Surface Cargo, Starship HLS (lunaire), Starship Deep Space – et ces versions n’ont guère en commun que l’enveloppe extérieure et la motorisation (que l’on envisagerait en plus de modifier dans l’article de ce jour!). Par ailleurs, il faut séparer la question du lanceur (Super Heavy en l’occurrence), réutilisable, un concept qui peut s’appliquer aussi bien à la mise en orbite d’un vaisseau monolithique qu’à un vaisseau de structure modulaire, et le vaisseau lui-même (qui peut être également grandement standardisé même dans l’approche modulaire). Cette question ne distingue donc pas les deux approches (monolithique et modulaire). J’avoue me méfier par expérience des “outils à tout faire” qui, finalement, ne font rien de manière optimale. La “philosophie” du Starship (et les arguments avec lequel il est “vendu”) me font fortement penser à la navette spatiale, qui également devait en son temps être LE véhicule spatial à tout faire et démocratiser l’accès à l’espace en abaissant fortement les coûts. On sait ce qu’il en a été. J’ai tendance à penser que si l’on n’est toujours pas allé sur Mars plus d’un demi-siècle après le programme Apollo, l’impasse dans laquelle s’est engagée la NASA avec la navette spatiale (à preuve qu’elle n’a pas eu de successeur), qui a figé pour des décennies l’approche des vols habités car manquant de flexibilité et d’adaptabilité, y est pour beaucoup (avec la Station spatiale internationale, mais celle-ci a beaucoup servi justement à justifier l’existence de la navette)!

    1. Tous les Starships que mentionne Pierre-André Haldi ont en commun d’être lancés par un seul et unique SuperHeavy. Je pense que cela est très important car, comme vous le savez, l’essentiel de l’effort pour accomplir un voyage dans l’espace est de s’arracher à la gravité terrestre (ce qui nécessite au moins deux éléments, un lanceur et un vaisseau spatial, la masse du lanceur étant renvoyée au sol, vide, après que le vaisseau spatial ait été extrait du puits gravitationnel terrestre).
      Le deuxième point en dépit des différences (et c’est un corolaire) c’est que tous les Starships que mentionne Pierre-André Haldi ont un volume et une forme qui leur permet d’être lancés par des SuperHeavy.
      Avec ces deux composants on a donc un modèle de standardisation très efficace sur le plan économique.
      Mais comme le remarque Pierre-André Haldi, cela n’empêche pas la spécialisation des Starships, quant à leur fonction et je l’espère quant à la motorisation (ce qui revient un peu aussi à la fonction). Ce qu’il faut dans un projet comme celui-ci, si l’on veut qu’il réussisse, c’est cela, la standardisation d’une part et la modularité d’autre part, cette seconde approche (recherche de la modularité) permettant l’adaptation aux besoins et, dans ce cadre, également, permettant la standardisation.
      .
      Mais je laisse Pierre-André Haldi faire ses calculs. Je les attends avec beaucoup d’intérêt.

  4. En fait cela me parait trop compliqué à réaliser, le transfert en amont et en aval des personnes est pour moi infaisable ! Tant qu’un tel vaisseau ne peut-être réutilisable c’est impossible. Il faudrait pour ce faire que les deux modes de propulsion cohabitent pour rendre cela possible. N’étant ni ingénieur dans ce domaine ni assez compétent pour voir si la réalisation est faisable, je jette l’éponge !

    1. Il ne faut pas jeter l’éponge mais essayer d’imaginer des solutions. Il ne faut pas oublier qu’on pratique le docking depuis les débuts de l’ère spatiale.
      Avec le docking, les vaisseaux s’accouplent et les passagers vont de l’un à l’autre. Qu’il y ait différence de tailles entre les véhicules ou non, n’est pas un obstacle. Dans l’ISS, les astronautes passent bien d’un module à l’autre selon ce principe. Avant que les modules soient accouplés, ce sont des vaisseaux spatiaux indépendants. On peut très bien imaginer un arrimage de deux Starships. D’ailleurs pour faire le plein d’ergols avant de partir dans l’espace profond, il est prévu que le Starship vaisseau fasse le plein avec plusieurs Starship-tankers. Merci quand même Jean-Philippe pour votre intérêt renouvelé.

      1. Oui effectivement j’avais oublié cet élément !
        Qui parait simple, mais pour 100 personnes (le fret pouvant être indépendant) avec également la nourriture pour deux mois qu’il faudrait alors transborder ne serait-ce pas trop difficile ? Je me pose la question ! Pour l’ISS, c’est un cargo ravitailleur qui apporte cela, et un peu avec les astronautes….

        1. Pour le moment il s’agit d’aller sur Mars avec un minimum d’êtres humains et un maximum d’équipements utiles. Mais je ne vois pas la différence entre approvisionner un ISS et un starship. Le docking peut se faire par les sas. De toute façon les sas devront être isolables de l’atmosphère des vaisseaux et une fois le contact physique établi, on peut très bien concevoir un arrimage qui solidarise les deux…ou les trois.
          Je pense en effet à trois vaisseaux car dans un de mes articles j’ai mentionné le voyage à trois starships reliés entre eux. Celui du centre permettant la liaison entre les trois (avec deux poutrelles télescopiques déployables à partir d’un double sas) et permettant aussi la rotation des deux vaisseaux extérieurs (perpendiculairement au vaisseau central).
          La nourriture pour deux mois ne pose aucun problème, la congélation, l’appertisation, la lyophilisation existent (de même que le recyclage de l’eau). Même sur 30 mois, on peut l’envisager (et il le faudra pour les toutes premières missions habitées) avec en complément quelques produits frais cultivés dans le vaisseau puis dans une serre expérimentale sur Mars, avec bien entendu des compléments alimentaires.

          1. enfin, effectivement un remorqueur trans-planétaire serait beaucoup mieux dans ce cas ! pas besoin de transborder les voyageurs et les “bagages, alimentation pour le voyage”…

          2. Pour moi la solution c’est le Starship à propulsion chimique faisant la navette entre le sol et les orbites des deux planètes, pour aller rejoindre le Starship nucléaire faisant la navette entre les orbites des deux planètes. Le transbordement équipage et équipements ne sera pas très facile mais pas du tout impossible et c’est ce qui compte (outre que le Starship à propulsion chimique est le vaisseau disposant de la meilleure capacité de transport en masse et volume). Cela deviendra de moins en moins difficile avec le temps, l’expérience et les quelques aménagement techniques qui en résulteront.

  5. Une question préalable encore (j’essaie de comprendre). Le schéma rudimentaire présenté, dont en passant les éléments ne sont vraiment à l’échelle (à tire d’information, un étage nucléaire NERVA 2, fournissant “seulement” 333 kN (kiloNewtons) de poussée, mesure 47,6 mètres de long pour un diamètre de 10,00 mètres), montre un “Starship“ disposant d’un propulseur nucléaire uniquement. Comment ce vaisseau va-t-il alors atterrir et ensuite redécoller de Mars? La question des poussées à réaliser a-t-elle par ailleurs été prise en compte (pour fixer les choses, un moteur NERVA 2 ne produit qu’un septième environ de la poussée d’un Raptor 2, à savoir 333 kN vs 2’300 kN)?

    1. Non, il n’est pas question que le Starship à propulsion NTP se pose et redécolle de Mars. Il doit rester en orbite (comme je l’écris dans mon article). Cela implique que les premiers vols se fassent avec des Starships à propulsion chimique. On aura besoin sur Mars du même système de navettes que sur Terre, la différence étant que sur Mars on pourra se passer de SuperHeavy compte tenu de l’attraction gravitationnelle plus faible de la planète.

      1. IIl me semble que l’on s’approche petit-à-petit de la proposition que j’avais présentée à une réunion des Mars Societies en Suisse. A savoir un “vaisseau-croiseur” typiquement à propulsion nucléaire (mais comme sa conception était très modulaire, le module de propulsion aurait pu être initialement chimique, et même pourquoi pas à un stade final hybride nucléaire thermique/ionique) assurant les transferts Terre-Mars et retour, assemblé en OTB et restant ensuite en permanence dans l’espace, associé à des navettes pour les atterrissages planétaires et redéparts en orbite (Terre comme Mars, dans le premier cas avec au décollage un “booster” premier étage réutilisable type Super-Heavy). Ma proposition prévoyait en outre 3 modules d’habitation spatiaux disposés en étoile autour d’un “moyeu” et mis en rotation pour créer une gravité artificielle (utile même si le voyage ne dure “que” deux mois). Le module de propulsion et le module de génération d’énergie électrique, ainsi que d’autres modules de service éventuels, étant couplés dans l’axe de ce “moyeu” (ce qui permet entre autres des manœuvres de correction de trajectoire, et aussi des communications longue distance, sans arrêter la rotation des modules d’habitation). Tous les éléments étant initialement mis en orbite en utilisant un lanceur lourd ou mi-lourd réutilisable comme le Super-Heavy. C’est une configuration “souple” qui peut facilement être adaptée à des missions différentes et améliorée au fil du temps (pas comme la navette !) en fonction d’avancées technologiques devenues disponibles, sans avoir à modifier profondément d’un coup la conception de tout le vaisseau sauf éventuellement son enveloppe (!). La NASA a en son temps étudié un concept assez similaire (que j’ai découvert plus tard), le Nautilus-X. J’ai seulement des doutes sur la réelle utilité de la centrifugeuse qu’il prévoit, dont le diamètre me semble trop petit pour d’être d’une réelle efficacité pour maintenir les astronautes en bonne forme (ceux-ci y séjourneraient couchés et si on reste longtemps alité, même en situation de gravité terrestre, on se débilite rapidement, j’ai malheureusement pu l’expérimenter 🙁 ).
        Je n’ai pas reçu de réponse à la, question, importante, des poussées nécessaires et la manière prévue pour les obtenir (?).

    2. Je n’ai pas de réponse précise à la question sur la poussée. Mais le problème est plutôt de savoir quelle doit être la poussée, connaissant la masse et surtout compte tenu de la durée pendant laquelle on peut l’exercer. Il me semble qu’une poussée même faible exercée pendant beaucoup plus longtemps qu’une poussée forte mais très limitée dans le temps (telle que procurée par une propulsion chimique) à partir d’une orbite aussi haute que possible (compte tenu de la puissance du SuperHeavy), peut procurer une vitesse au moins équivalente. Le problème serait donc plutôt d’évaluer la masse du Starship NTP chargé d’ergols et à partir de là, d’évaluer la poussée nécessaire pour impulser un voyage jusqu’à Mars de durée raisonnable, puis voir si cette poussée est compatible avec le volume et la masse d’ergols que l’on peut embarquer à bord du même Starship.

      1. je voulais juste savoir si cette question avait été prise en compte. J’en déduis que non à ce stade. Il ne faut pas non plus s’illusionner, la poussée pourrait être exercée plus longtemps avec un propulseur nucléaire, mais pas dans des proportions énormes quand même. Avec les indications données par SpaceX (masse d’ergols 1’200’000 kg et consommation 650 kg/s) et pour un étage NERVA (env. 100’000 kg de LH2 en remplissant de LH2 les deux réservoirs de 800 m3 et 600 m3 respectivement, et une consommation de 32,8 kg/s), on vide les réservoirs en environ 30 min dans le premier cas et 50 minutes dans le second, pas une si grande différence.

  6. L’intérêt d’un moteur nucléaire n’est pas tant de réduire le temps d’un voyage vers Mars que de le rendre, peut-être, faisable. Ce que ne permettent pas les propulseurs chimiques actuels, qu’ils s’appellent SLS ou Starship (à moins de disposer de stations relais, ce qui ne semble pas réaliste à court terme).

    Comme il est indiqué, la diminution du temps de transit qu’autorise le nucléaire réduirait l’exposition des équipages aux rayonnements cosmiques, ce qui est appréciable. Mais aussi à l’apesanteur. Avec des propulseurs chimiques, après 6 ou 7 mois restés sans gravité, combien d’astronautes sont à même d’affronter raisonnablement atterrissage et travaux sur Mars, c.à.d. la raison de leur voyage, n’est aujourd’hui pas clair : dans les mêmes conditions, beaucoup de leurs collègues de retour d’ISS sont bons à partir en structure médicalisée. Des transits accélérés élargissent par ailleurs les fenêtres de tir, à l’aller comme au retour, apportant souplesse et diminution sans doute sensible du temps minimal de mission aller-et-retour. C.à.d. du temps pendant lequel les équipages, en cas de besoin, sont privés de structure médicale rapidement disponible, donc en situation critique. L’augmentation de puissance pourrait peut-être même permettre d’envisager des retours anticipés avant d’atteindre Mars, aujourd’hui inconcevables. Les économies en termes de systèmes de survie résultant de ces transits plus rapides dégageraient enfin des moyens financiers et capacités d’emport susceptibles d’être employés, par exemple, à renforcer la sécurité des missions.

    Bref, essentiellement par la réduction du temps de transit Terre-Mars, le nucléaire ouvre un cercle vertueux, facteur clé d’amélioration de la sécurité de missions pilotées interplanétaires. Le seul à notre portée, en fait.

    Or la sécurité est de plus en plus dominante, en vols spatiaux comme ailleurs. Tant que des missions vers Mars condamneront des équipages à rester sans secours possible pendant 2-3 ans, il est chaque jour plus illusoire d’escompter que la FAA, ou qui que ce soit en occident, les autorise. Si on les souhaite, il faut donc viser des percées rapides de la propulsion nucléaire, il n’y a guère d’alternative. La discrétion de la NASA et même de Space X sur Mars depuis quelques années, la réactivation récente de projets de propulsion nucléaire, semblent indiquer que tout le monde est désormais bien conscient.

    1. Vous avez raison, Monsieur Baland, le nucléaire change beaucoup les perspectives du voyage vers Mars. Ceci dit, je pense que les premiers voyages ne seront pas “une partie de plaisir” et que de toute façon les astronautes qui partiront seront des personnes aguerries et prêtes/capables de supporter beaucoup d’épreuves. Je pense donc, personnellement, que les premiers voyages auront lieu dès qu’ils seront possibles, c’est à dire dès qu’un premier vol robotique aura démontré sa faisabilité et pris toutes sortes de mesures pour adapter au mieux le séjour des premiers astronautes dans le premier vol habité. Je pense aussi qu’on tentera une mise en rotation de deux starships pour créer à l’intérieur de l’habitat une gravité minimum (équivalente à celle de Mars?).
      .
      La FAA n’aurait jamais autorisé le voyage de Christophe Colomb. Mais quand ce dernier a compris que le roi du Portugal, Joao II, ne lui financerait pas son voyage, il est allé voir le roi d’Espagne. Je suis certain qu’Elon Musk est capable de le faire, lui aussi.

      1. On ne déménage pas une base spatiale comme on change de port d’attache pour un bateau 🙂 Et si une autorité comme la FAA refuse l’autorisation aux Etats-Unis pour un tel voyage, je doute qu’une administration ailleurs l’autorise. Resterait à construire une base en eaux internationales, mais même là je ne suis pas sûr que cela ne pose pas des problèmes de règlementation; quid si l’engin retombe sur un autre pays par exemple? (mais je ne suis pas juriste).

        1. Mais bien sûr qu’il y aura des problèmes de réglementation. On le voit déjà avec la FAA qui met des bâtons dans les roues d’Elon Musk pour limiter les risques relatifs au décollage du premier vol orbital de son starship à partir de Boca Chica.
          Mais il ne faut pas oublier qu’Elon a un projet de plateforme de lancements flottante et je ne doute pas qu’il pousse cette solution si la FAA continue à s’opposer à ses vols. Par ailleurs, je doute que les Emirats Arabes Unis refusent d’héberger SpaceX si les Etats-Unis s’opposent à l’utilisation du Starship (et de ce fait que les Etats-Unis ne reviennent sur leur décision).

          1. Il y a peut-être des bâtons mis dans les roues d’Elon Musk, mais il y a surtout une vérité à laquelle il faudra bien un jour faire face : dans l’occident, le secteur spatial est sous le contrôle d’organismes règlementaires qui ont le dernier mot, et cela ira croissant. Nous ne sommes plus à l’époque d’Apollo, et encore moins de Christophe Colomb. Et nul ne le sait mieux que Musk qui sait en jouer pour cacher ses retards.

            Pour prendre un exemple différent de la FAA, l’expatriation d’un moyen de lancement, que ce soit vers un pays tiers ou en eaux internationales, requiert des autorisations d’exportation (elle est même en fait interdite : il faut demander une « dérogation »). Si c’est pour s’affranchir de règles US, Space X ne l’aura assurément pas. Donc cette option est exclue. Etc, etc. C’est malheureux, mais en matière de surveillance administrative, missiles et espace sont ce qu’on fait de plus strict.

            Il faut donc en prendre acte et privilégier des scénarios peut-être plus longs mais du moins réalistes. Si l’on est sincère dans sa quête de Mars.

  7. Il y aurait beaucoup de choses à dire/préciser/rectifier concernant l’article de ce jour. Comme il faut bien commencer quelque part, je traiterai ici la question la plus typiquement nucléaire, celle des radiations et de la nécessité de s’en protéger. Il y a deux types de radiations associées à un réacteur nucléaire, l’émission de neutrons lorsqu’il est en fonctionnement et celle des produits de fission une fois qu’il a été mis en activité. Cette dernière émission étant de tous types – alpha, béta, gamma, neutrons – mais seuls les deux derniers posent vraiment problème, les rayonnements alpha et béta étant facilement arrêtés par quelques cm de matière. Malheureusement, un blindage qui est efficace contre les neutrons (matériaux légers, typiquement matériaux hydrogénés) ne l’est pas contre les rayonnements gamma (qui demandent des matériaux lourds) et inversement. J’ai cherché à étudier la question pour un réacteur destiné à la production d’électricité à bord du Starship (800 kWth de puissance), réflexions que j’ai d’ailleurs transmise en son temps à Monsieur Brisson. La question est complexe car elle dépend bien sûr de la puissance du réacteur, du temps pendant lequel il sera amené à fonctionner, mais encore de la géométrie et de la composition des matériaux existant entre le réacteur et les zones d’habitation. Raison pour laquelle on ne trouve pas encore de calculs détaillés (de type Monte Carlo, par exemple le code MCNP, nécessitant des ordinateurs très puissants) de dimensionnement de tels blindages. En me basant sur le résultat d’évaluations faites pour des réacteurs au sol (sur la Lune ou Mars), j’avais estimé qu’un blindage relativement optimal (en particulier minimisant la masse) serait constitué d’un sandwich de 3 couches de tungstène de 5 cm chacune, alternant avec des couches d’hydrure de lithium de respectivement 12 cm, 11 cm et 55 cm d’épaisseurs. Etant donné la configuration compacte du Starship qui oblige à prévoir un écran de type “ombrage” (qui couvre seulement l’angle solide nécessaire) sur tout une section du corps du vaisseau (diamètre de 9 mètres), j’ai calculé que la masse dépasserait les 200 tonnes. Et la puissance d’un réacteur NERVA n’est pas de 800 kWth, mais de plus de 1’000’000 kWth! Je ne sais donc pas d’où vient l’affirmation qu’une protection de quelques cm seulement suffirait*. Et s’il est vrai qu’il serait judicieux d’intercaler le réservoir d’hydrogène entre le réacteur et les quartiers d’habitation, la protection offerte (contre les neutrons essentiellement) sera vite amoindrie, le réservoir se vidant rapidement au début du transfert Terre-Mars ; ce n’est donc pas une vraie solution.
    * Pour donner une idée, le blindage biologique du réacteur CROCUS de l’EPFL, sur lequel j’ai travaillé, était de 120 cm de béton baryté (comprenant des agrégats lourds) … pour un réacteur dont la puissance ne pouvait pas dépasser 1 kWth! Mais il est vrai que ce blindage aurait suffi à protéger le personnel circulant autour de l’installation même en cas “d’excursion de puissance” (accident) qui aurait pu porter sa puissance à de l’ordre de 2’000 kWth.

    1. Il est clair que le problème de radiations résultant de la propulsion NTP sont les neutrons d’une part, le rayonnement gamma d’autre part. Mon article ne dit que cela.
      .
      Concernant la masse du bouclier, je me réfère à l’article “Shielding Development for Nuclear Thermal Propulsion en référence en fin d’article.
      Les auteurs préconisent contre les neutrons un disque de carbure de bore car il serait quatre fois moins massif que l’acier inoxydable, et contre le rayonnement gamma, une couche de plomb (ou autre métal très dense?) qui serait un revêtement du disque de carbure de bore du côté exposé au réacteur.
      Par ailleurs, pour améliorer l’impulsion spécifique, les auteurs de l’autre étude (Nuclear propulsion choices for space exploration préconise un NTR à cœur gazeux (“a gas core NTR”) qui augmenterait l’impulsion spécifique en accroissant la température du propellant.
      .
      La plus grande partie de la réserve d’eau sera utilisée au début du voyage mais il en restera une partie non négligeable lors de la descente sur Mars (dans l’hypothèse où on utilise l’eau comme réserve d’hydrogène comme ergol) et l’habitat sera bien distant du réacteur (si le Starship fait 55 mètres l’habitat d’un Starship “classique” aurait une longueur de 17,30 mètres et serait donc distant du réacteur d’au moins 30 mètres. On peut d’ailleurs prévoir que sur les 1100 m3 la partie réellement habitable par une douzaine de passagers soit plus petite, peut-être la moitié, ce qui permettait une distance d’une quarantaine de mètres. Cela devrait quand même atténuer l’impact des radiations.
      .
      Ces éléments modifieront-t-ils votre appréciation de la masse nécessaire pour le bouclier?

      1. Cela n’a pas de sens d’utiliser de l’eau comme réserve pour produire de l’hydrogène, Pour une quantité d’hydrogène donnée, on décuple presque la masse (si on a un réservoir de 1000 m3 de capacité, cela correspond à 71 tonnes de LH2 et 1’000 tonnes d’eau, permettant en principe de produire 111 kg d’H2 et 889 kg d’O2 par électrolyse). Et on ne parle même pas de l’énergie, déjà critique à bord, à dépenser en plus. On perd ainsi un des avantages principaux de la propulsion nucléaire (voir mon article des semaines passées) qui est d’éviter de devoir transporter le comburant oxygène en même temps que l’ergol hydrogène. Bien sûr, il faudra de l’oxygène pour la respiration des astronautes et ils utiliseront aussi de l’eau (qui peut en grande partie être recyclée), mais pas du tout dans ces proportions. Il est clair aussi que le stockage à long terme de l’hydrogène est un défi majeur à résoudre, comme je l’avais signalé. Mais il faudra y trouver une solution; si on perd les plus gros avantages de la propulsion nucléaire, alors autant en rester à la propulsion chimique.
        Quant à la distance au réacteur des zones susceptibles d’être occupées par les astronautes, si on en croit les plans d’aménagement interne du Starship présentés à ce jour, elle est au maximum d’une vingtaine de mètres (soit: grosso modo une trentaine de mètres pour la partie “technique” arrière moins la dizaine de mètres du réacteur lui-même dans cette partie). On peut évidemment restreindre vers l’avant la zone habitable, mais, de nouveau, ce n’est plus alors le Starship originel (et déjà que les passagers auraient été assez serrés dans cette version … ).
        Petite remarque: “Mon article ne dit que cela”, oui mais en attribuant l’émission gamma uniquement aux réactions secondaires de neutrons sur d’autres matériaux, ce qui n’est pas la source principale et restant présente même après l’arrêt du réacteur (cette source étant les produits de fission).

  8. Bonjour, un article très intéressant et précis
    Mais pourquoi ne pas envisager un module nucléaire en orbite ou le Starship viendrait se fixer comme sur la table orbital ou comme le haut du Booster ?
    On conserverait la formule actuelle, et il suffirait de développer le kit nucléaire indépendamment…
    Reste à le mettre en orbite.. mais ça pourrait être un module de 50-60m contenant uniquement ce qu’il faut pour le mode nucléaire et qui resterait en orbite terrestre ou martienne pour faire la navette.
    Qu’en pensez-vous ?

    1. Merci Monsieur Mathey. C’est une bonne idée, mais “à creuser”.
      Le problème c’est que ce module réacteur devra pouvoir être commandé à distance ne serait-ce que pour son attache avec le vaisseau portant passagers et équipements ou pour son contrôle d’attitude ou pour son éjection définitive vers l’espace après epuisement de sa matière fissible.
      Il y aura aussi une connexion à effectuer avec chaque nouveau réservoir d’ergols (expulsables par les moteurs après qu’ils aient été portés à haute température par le réacteur).

  9. Il y a plus d’un siècle, cet extraordinaire pionnier de l’astronautique que fut Constantin Tsiolkovsky avait imaginé de construire une tour de 36.000 km contenant un ascenseur qui pourrait amener des cosmonautes à une altitude où la force centrifuge due à la rotation de la Terre compenserait exactement la gravitation. Appelons ça un ascenseur gravitationnel. La construction d’un tel édifice s’est rapidement révélée irréaliste, d’abord à cause des techniques de construction à mettre en œuvre, mais surtout par manque de matériaux de résistance mécanique suffisante. Seuls le diamant et la nitrure de bore auraient convenu.

    Il y a quelques années, la NASA avait cependant imaginé une alternative basée sur un câble et un contrepoids qui serait placé à une altitude supérieure à celle de l’orbite géostationnaire. Dans ce cas aussi, le projet avait été écarté car il n’existait pas de matériaux assez résistants et assez légers pour réaliser un tel câble.

    Plus récemment, ils y avaient de nouveau pensé quand avait été usiné un câble en nanotubes de carbone qui, lui, offrait la résistance mécanique et la légèreté requises. Je ne sais pas ce qu’est devenu ce projet mais il faut reconnaître que s’il était réalisable, ce serait la solution idéale pour faire la navette entre le sol et le NTP.

    La WikipediA anglophone décrit les techniques de construction envisageables avec les limites de chacune d’entre elles.

    1. Merci Monsieur Louis. L’ascenseur spatial serait certainement une très belle solution pour accéder à l’espace via une orbite proche du bord de notre puits gravitationnel.
      Cependant, je crois me souvenir qu’il y avait aussi un problème de contrepoids. Si une masse descend jusqu’à la Terre, il faut aussi qu’en contrepartie, un contrepoids de même masse soit positionné à une altitude supérieur à la plateforme haute de l’ascenseur (et cette masse doit évoluer sur son orbite à une vitesse telle qu’elle reste en ligne avec le reste de l’ascenseur).

  10. La réponse à M.C. m’a fait repenser hier soir (la nuit porte conseil !) à un problème important que j’avais oublié de mentionner hier. Comment est-ce que le “Starship” nucléaire dans la configuration présentée, avec sa propulsion uniquement nucléaire, sera mis en orbite ? Je rappelle que dans sa conception actuelle, le Starship représente en fait le deuxième étage du lanceur et qu’il utilise ses moteurs (chimiques) pour se mettre en orbite en consommant pour cela la quasi-totalité du contenu de ses réservoirs d’ergols, raison pour laquelle il devrait être ravitaillé au préalable en orbite avant de pouvoir s’élancer ensuite vers la Lune ou Mars (une opération délicate d’ailleurs de transfert en apesanteur de liquides cryogéniques, qui n’a encore jamais été réalisée et dont la faisabilité demande à être démontrée). Il faudrait donc envisager de rajouter un deuxième étage chimique au SuperHeavy, alors que les deux étages actuels font déjà 120 mètres de hauteur !
    Autre point qui rejoint le commentaire de M.C., quelle rationalité y a-t-il à garder l’enveloppe externe du Starship, avec sa forme aérodynamique et sa structure en acier inoxydable, un matériau relativement lourd, choix dictés uniquement par les contraintes de rentrées/traversées atmosphériques, alors que le vaisseau sera destiné à rester à jamais dans l’espace ? La Station spatiale internationale n’est pas réalisée avec des modules à enveloppe en acier inoxydable mais en alliage d’aluminium.
    Plus j’y réfléchis, plus j’arrive à la conclusion qu’on peut oublier l’idée d’un éventuel “Starsip nucléaire”. A vouloir absolument ”sauver le soldat Starship” (!) et lui faire faire ce pourquoi il n’a pas été conçu, on arrive soit à des aberrations, soit à faire subir de telles modifications au concept et schémas de mission d’origine qu’on ne peut plus vraiment encore appeler ça un ”Starship”. Je pense d’ailleurs qu’Elon Musk en est bien conscient. Connaissant son goût pour les déclarations qui font le buzz, on peut penser que s’il estimait possible d’équiper son vaisseau interplanétaire d’une propulsion nucléaire, il n’aurait pas laissé à la NASA le monopole d’une annonce dans ce domaine.

    1. Ce problème de trois étages, je l’ai déjà évoqué à la fin de mon article, suite à un commentaire de Xavier Philippon dans le précédent article. Je cite:
      Eventuellement, on pourrait ajouter entre le SuperHeavy et le Starship NTP, un deuxième étage “tampon” à propulsion thermique* capable de pousser le Starship sur une orbite suffisamment haute où il aurait tout le temps de mettre en route la propulsion NTP. Ce deuxième étage serait évidemment récupérable. L’ennui avec cet ajout c’est qu’on commence à modifier la coque du Starship et donc on renonce à une certaine standardisation du vaisseau (par ailleurs si on ajoute un volume complémentaire en hauteur, on modifie l’équilibre général SuperHeavy + Starship)“.
      .
      En ce qui concerne l’intérêt d’une forme aérodynamique, je pense qu’il subsiste car, avant d’être en orbite, le module-propulseur NTP (deuxième étage) devra traverser les couches denses de l’atmosphère à partir du sol. Compte tenu de la vitesse nécessaire et de l’accélération pour parvenir en orbite, ce module aura besoin d’une bonne protection, protection qui est offerte par le Starship avec sa coque en acier inoxydable et sa forme aérodynamique. La seule différence, c’est que, pour ce module-propulseur NTP interplanétaire, on n’aura pas besoin de tuiles de protection thermique puisqu’il ne reviendra pas dans l’atmosphère terrestre (ou martienne). Arrivé sur orbite de parking avant injection interplanétaire, le module-propulseur NTP pourrait également être libéré de sa coiffe puisqu’il n’en aura plus besoin non plus (et elle gênerait pour raccordement au vaisseau habitat).
      Ce module-propulsion NTP (sans hydrogène propulsable) nécessiterait sans doute un deuxième étage pour le monter en orbite de parking avant injection interplanétaire.
      .
      Alternativement, on peut concevoir le dispositif suivant :
      Un module-propulseur NTP sans hydrogène propulsable, serait logé dans un Starship-cargo (prévu dans la “famille” Starship) et libéré en orbite.
      Son réservoir d’hydrogène serait monté par un second starship-cargo et logé dans le réceptacle prévu à cet effet et contenant tous les raccordements nécessaires au moteur.
      Un autre starship-cargo, monterait une charpente déployable pour créer une distance acceptable entre réacteur et habitat et fixerait une extrémité de cette charpente à un cadre fixé à la structure du module-propulseur NTP encadrant le réservoir d’hydrogène, prévu à cet effet.
      Enfin le starship-habitat avec ses passagers et ses équipements serait envoyer à la rencontre de cet ensemble. Il se raccorderait à la charpente déployable par un dispositif apparenté à la fourchette (the fork) existant sur la tour de service du starship. La jonction se faisant au travers d’un sas bilatéral dans la partie basse du vaisseau.
      Le starship-habitat contiendrait un ensemble pour propulsion chimique (car il faudra bien descendre sur Mars et en remonter). Bien sûr le module-propulseur NTP resterait en orbite de Mars et le réservoir d’hydrogène serait à nouveau rempli pour le retour avec de l’hydrogène produit sur Mars. Il faudrait disposer d’une tuyauterie bien isolée, de valves et de pompe pour pulser l’hydrogène à partir du vaisseau remontant de Mars, au travers de la charpente déployée (pour eviter les radiations). Cette masse d’hydrogène viendrait soustraire une partie non négligeable de la charge utile mais il est prévu qu’il y ait moins à transporter de Mars vers la Terre que de la Terre vers Mars.
      .
      Le transport depuis la Terre à l’orbite, du module-propulseur NTP et de la charpente déployable ne se ferait bien sûr qu’une seule fois. En fin de compte il y aurait moins de vols de starship-cargo que de vols de starship-tanker dans la version propulsion chimique.
      .
      Si le starship-habitat n’a pas besoin de la puissance nécessaire pour se positionner en orbite haute terrestre, on pourrait concevoir que ses besoins en ergols (propulsion chimique) pourraient être moindres que le starship à propulsion chimique actuel. Ses réservoirs pourraient donc avoir un volume moindre et le starship lui-même ne pas nécessiter une coque de 55 mètres de haut.

      1. Si j’ai parlé du 2ème étage chimique additionnel, c’est précisément pour souligner ce que cela donnerait alors que le SuperHeavy + Starship actuel dépasse déjà la hauteur de la défunte Saturn V! Il y a par ailleurs une différence entre traverser brièvement les couches denses de l’atmosphère (à une vitesse restant relativement faible) sous une coiffe protectrice ensuite larguée et “traîner” inutilement à perpétuité une coque lourde (ce n’est pas qu’une coiffe) dans toutes les manoeuvres effectuées par la suite uniquement dans le vide spatial. Les modules de la Station spatiale internationale (modules, Zarya, Zvezda, etc. par exemple qui n’étaient pas mis en orbite par la navette) ont été sans problème assemblés en orbite sans qu’il soit pour cela nécessaire de les “blinder” avec une coque en acier inoxydable pour leur lancement.
        Sans entrer dans les détails (cela comment à tourner au dialogue de sourds), tout ce qui est proposé va dans les sens de mon affirmation que l’on s’écarte alors fortement à la fois du concept et de la philosophie du Starship d’origine et de ses schémas de mission. Dans ce cas, plutôt que tenter de “rafistoler” un concept qui n’a pas été prévu pour ça, autant reprendre les choses sur une autre base, plus rationnelle (et qui sera alors à mon avis modulaire). Je répète aussi qu’Elon Musk aurait certainement déjà annoncé un projet de “Starship nucléaire” s’il pensait la chose réalisable dans un avenir prévisible.
        Pour ma part, j’en resterai là, car je pense que ces échanges d’arguments souvent répétitifs doivent commencer à sérieusement lasser les lecteurs.

        1. Dans mon dernier commentaire, je propose de monter les éléments dans des starships-cargo, dans la mesure ou leur masse et leur volume le permettent. Si précisément masse et volume du module-propulsion NTP ne le permettaient pas, je pense quand même que le module serait intégré à l’intérieur d’une coque, simplement pour que les courants d’air provoqués par l’atmosphère sur les parties les plus fragiles de ce module ne perturbent pas ces parties. Les vitesses ne sont pas si faibles que cela (pour atteindre une vitesse de 28.000 km/heure en orbite). Et si une coque est nécessaire, pourquoi ne pas utiliser celle du starship qui sera produite en série et qui permettra une connexion facile avec le lanceur SuperHeavy? Bien entendu une fois en orbite on n’aura pas plus besoin de la coque que de la coiffe.

          1. En orbite on est dans les couches denses de l’atmosphère?! Mais bon, cette fois je vous laisse réellement le dernier mot, car j’ai maintenant vraiment d’autres urgences à traiter.

          2. Il me semble évident qu’avant d’arriver à 28000 km/h, on passe par des vitesses très hautes à des altitudes inférieures (où l’atmosphère est effectivement plus dense). Pour être plus précis:
            .
            Une fusée Ariane V qui doit être placée sur orbite à l’altitude de l’ISS, doit atteindre 720/km/h à 7,5 km d’altitude et 5400 km/h à 40 km d’altitude. A 74 km d’altitude, elle vole à 10080 km/h. A 125 km, elle vole à 14100 km/h (ces repères sont ceux auxquels la propulsion évolue). La ligne de Karman n’est qu’à environ 100 km d’altitude (altitude maximum pour que l’atmosphère permette la portance aérodynamique d’un avion volant à une vitesse “normale” de près de 1000 km/h). Il y a donc bien un facteur vent et aérodynamisme à prendre en compte entre le sol et une altitude supérieure à 100 km (la résistance de l’air augmentant évidement avec la vitesse).

  11. Bonsoir Pierre,
    Excellent article et merci de m’avoir cité.

    Je pense qu’un Starship NTP est effectivement envisageable mais serait-ce vraiment une solution optimisée ?
    Le Starship est prévu pour supporter le retour sur Terre et les contraintes d’échauffement atmosphérique. Cette caractéristique et inutile pour un vaisseau NTP qui, comme vous le soulignez, restera définitivement dans l’espace. Elle mobilise également une masse importante qui pourrait être utilisée à d’autres fins.
    On se retrouve avec une version NTP du Starship qui n’a plus grand chose à voir avec le modèle original.

    Par conséquent, autant développer un étage supérieur spécifique, destiné à lancer,en une ou plusieurs fois, le vaisseau NTP.

    1. Merci Xavier de votre commentaire. Après réflexion, compte tenu notamment de votre participation, je penche maintenant pour un véhicule spécifique à partir de trois modules comme indiqué dans mon commentaire du 05/03/2023 en réponse à P-A Haldi (ci-dessous).
      .
      Ces modules seraient montés en orbite terrestre “de parking” par des starships-cargo (bien entendu à propulsion chimique) car pour atteindre une orbite où l’on puisse travailler, il faut non seulement utiliser un lanceur (évidemment le SuperHeavy) mais encore une impulsion complémentaire. Et quoi de mieux que celle du Starship à propulsion chimique qui s’adapte parfaitement au SuperHeavy et qui a une grosse capacité d’emport, tant en masse qu’en volume? Par ailleurs ces starships-cargo aussi bien que le SuperHeavy sont récupérables et réutilisables.
      .
      Une fois le montage effectué et le plein en hydrogène également effectué, les passagers pourront accéder au vaisseau interplanétaire à propulsion NTP par le transport dans un starship spécifique . Les équipements pourraient eux faire l’objet d’un transport par starship-cargo spécifique juste avant l’arrivée des passagers parce qu’une intervention humaine pour le transbordement sera sans doute nécessaire et parce qu’il faudra donc que le vaisseau interplanétaire soit viabilisé (ou plutôt que sa viabilisation soit activée et fonctionne).
      .
      A l’arrivée en orbite de Mars, il faudra faire un autre transbordement entre le vaisseau à propulsion NTP et un ou plusieurs (selon la charge) starship(s) à propulsion chimique lancés depuis le sol de Mars. C’est pour cela que ce voyage avec propulsion NTP ne sera pas possible avant d’avoir installé une petite antenne humaine sur Mars et que les premiers voyages devront être effectués avec un starship “classique” à propulsion chimique et que donc les premiers hommes qui iront sur Mars devront subir un voyage de quelques 6 mois avec tous les inconvénients que cela suppose.
      .
      Une alternative serait de concevoir un vaisseau interplanétaire NTP avec des modules attachés (un peu comme ceux conçus par P-A Haldi) qui descendraient sur Mars une fois l’orbite atteinte. Mais ces modules auraient une capacité d’emport forcément réduite.
      .
      Une autre alternative serait de constituer un train de vaisseaux spatiaux constitué du vaisseau interplanétaire NTP et de deux starships à propulsion chimique (dont le starship ayant monté les passagers au vaisseaux NTP depuis la Terre). Les deux starships-habitat seraient reliés au vaisseau NTP par une charpente métallique déployable et déployée; ils seraient mis en rotation autour du vaisseau NTP après injection interplanétaire (pour créer une pseudo-gravité à l’intérieur des starships) et ils seraient libérés en orbite martienne pour descendre sur le sol de Mars en laissant le vaisseau NTP en orbite. Ceci implique que l’impulsion donnée par le réacteur à fission nucléaire du vaisseau NTP soit suffisamment puissante ou que les starships à propulsion chimique participent à l’impulsion pour injection interplanétaire.

  12. Pour le stockage de l’hydrogène dans le volume équivalent aux 1400 m3 (800+600) disponibles dans les deux réservoirs du Starship (à la place des 1’200 tonnes d’ergols classiques), il est intéressant de résumer la situation en comparant les cas pratiques suivants :
    H2 gazeux sous 1 atm (densité 0.09 kg/m3), soit 0,126 tonnes.
    H2 comprimé sous 350 bars (densité 23 kg/m3), soit 32,2 t.
    H2 comprimé sous 700 bars (densité 38 kg/m3), soit 53,2 t.
    H2 liquide (densité 71 kg/m3), soit 99,4 t.
    H2 dans la “powerpaste” MgH2 (densité du MgH2 1,45 t/m3) avec 7,6% de H2, soit 154,3 t sur 2’030 t.
    H2 dans H2O (densité de H2O 1 t/m3) avec 11,1% de H2, soit 155,5 t sur 1’400 t.
    L’avantage des deux dernières solutions par rapport à l’hydrogène liquide est qu’on disposerait de ~55 à 57% d’hydrogène en plus, ce qui n’est pas négligeable. Leur désavantage est la masse totale du stock qui dépasse de 69% la masse des ergols classiques dans le cas du MgH2, mais seulement de 17% dans le cas de H2O ; ce serait donc autant masse en plus à devoir “traîner” avec soi.
    Pour décomposer continûment la “powerpaste” MgH2 et en dégager du H2, il faut soit l’hydrolyser avec de l’eau, soit aussi simplement la chauffer doucement à au moins 327 °C.
    Pour extraire le H2 de l’eau, il faut soit l’électrolyser, soit lui faire subir une thermolyse catalysée à au moins 800 °C.
    Quant à l’avantage du H2 liquide, qui est la forme la plus dense possible du H2 pur, il est à contrebalancer par le fait qu’il faut utiliser un réservoir spécial à double paroi Dewar (et donc massif…) pour conserver ce liquide à une température très basse, en dessous de -252 °C.
    Je pense donc que la “powerpaste” (MgH2, ou un autre hydrure métallique encore plus adéquat…) et même l’eau n’ont pas dit leur dernier mot !

    1. Merci Monsieur de Reyff. Très intéressant de pouvoir mettre des chiffres sur des solutions théoriquement possibles! L’on voit que le transport de l’hydrogène sous forme liquide ou comprimée sous 700 bars n’est pas invraisemblable (en masse et en volume) par rapport aux ergols nécessaires pour la propulsion chimique.
      Si on transporte de l’eau, tant qu’elle n’est pas utilisée, il est à noter qu’elle peut fournir un écran supplémentaire aux radiations cosmiques autour de l’habitat . Quant à la powerpaste son avantage est évidemment qu’elle n’est pas susceptible de laisser fuir son hydrogène (rappelons-le, la molécule la plus petite qui existe) et donc qu’il n’a pas besoin d’un réservoir massif (sauf pour la fraction d’hydrogène prête à être utilisée) ou d’un dispositif pour conserver une température très basse.

  13. Malgré tous les problèmes que vous venez d’énoncer et les choix difficiles parmi les solutions possibles, cette question de la propulsion nucléaire est prise très au sérieux maintenant. D’après Pierre Henriquet ,” En 2021, la NASA sélectionnait 3 conglomérats d’entreprises pour réaliser des études de concept de réacteurs à propulsion nucléaire thermique (BWX Technologies/Lockheed Martin d’une part, General Atomics Electromagnetic Systems/X‑energy/Aerojet Rocketdyne d’autre part et enfin Ultra Safe Nuclear Technologies/Blue Origin/General Electric Hitachi Nuclear Energy/General Electric Research/Framatome/Materion)”. Dommage encore une fois que l’Europe n’en soit pas apparemment! Et le problème de la fiabilité de ces moteurs semblerait inquiétant, du moins pour la sécurité des cosmonautes

  14. Je suis surpris que vous ne pensiez pas à un dispositif beaucoup plus simple qu’un réacteur comme vous le décrivez… En effet, un moyen de se propulser dans l’espace, peut être de faire exploser par fusion une « capsule » d’hydrogène régulièrement à l’arrière du vaisseau pour l’accélération et obtenir aussi 1 à 2 mois de voyage vers mars… c’est aussi, paradoxalement, beaucoup plus facilement possible à recharger pour le voyage de retour que de la matière fissible. Les problématiques sont plus ou moins les mêmes au niveau des boucliers… et les quantite nécessaires d’hydrogéne sont ridicules, si ce n’est qu’il faut et du deutérium et du tritium…

    1. Le “petit” problème est que l’on ne maîtrise pas encore la fusion nucléaire…Actuellement obtenir une fusion nécessite toujours de consommer plus d’énergie qu’elle n’en produit.

  15. Bonjour
    Le decollage se fera toujours par voie chimique avec la fusee maintenant connue ou une autre beaucoup plus puissante dans les annees a venir . Ensuite lorsque les modules de propulsion nucleaire existeront on pourra realiser en orbite terrestre un rendez vous entre starship et ce module qui devrait permettre au vaisseau de relier Mars en deux fois moins de temps soit environ trois mois en choisissant les bonnes fenetres. C est parfait.
    .
    A cela il faut ajouter le bouclier de plomb pour stopper les rayons gamma !
    c est parfaitement faisable mais ca va etre tres lourd.
    d ou l idee d un lanceur tres puissant ou bien on assemble tout cela en orbite avec plusieurs lanceurs ? mais dans ce cas cela devient tres complique.

  16. Par contre mauvaise nouvelle : je viens de voir le programme nasa lune mars qui vient d etre produit : c est vide il n y a rien ! nul ! les chinois vont nous en mettre plein la vue heureusement qu il existe Elon Musk ;

  17. Bonjour Monsieur
    Il faut dire que la version passagers de starship c est a dire la forme crew n est pas encore definie :on sait deja que en cas de dysfonctionnement du lanceur elle sera en mesure de se separer de celui ci ce qui est parfait ;Pour les blindages antiradiations ce sera probablement prevu.
    Pour l habitat sur Mars le projet mycomars parait tres sympatique.
    cordialement

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