Un nouveau concept de moteur fusée thermonucléaire proposé
Un nouveau type de moteur-fusée qui pourrait emmener l'humanité sur Mars et au-delà a été proposé par un physicien du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL).
L'appareil utilisera des champs magnétiques pour forcer les particules de plasma, un gaz électriquement chargé également connu sous le nom de quatrième état de la matière, à voler hors de l'arrière de la fusée et, en raison de la conservation de l'élan, à propulser le navire vers l'avant. Les propulseurs à plasma modernes testés dans l'espace utilisent des champs électriques pour déplacer les particules.
Le nouveau concept accélérera les particules par reconnexion magnétique, un processus qui a été observé dans tout l'univers, y compris à la surface du Soleil, dans lequel les lignes de champ magnétique convergent, se séparent soudainement, puis se rejoignent, produisant beaucoup d'énergie. La reconnexion se produit également à l'intérieur des dispositifs de fusion appelés tokamaks.
«Je prépare ce concept depuis un certain temps», a déclaré Fatima Ebrahimi, physicienne principale de PPPL, inventeur du concept et auteur d'un article détaillant l'idée dans le Journal of Plasma Physics.
«J'ai eu l'idée en 2017 lorsque je réfléchissais aux similitudes entre les gaz d'échappement des voitures et les particules d'échappement à haute vitesse créées par le National Spherical Torus Experiment (NSTX) PPPL», le précurseur du complexe de fusion phare actuel du laboratoire.
"Pendant le fonctionnement, ce tokamak produit des bulles magnétiques appelées plasmoïdes (plasma confiné dans des boucles magnétiques fermées) qui se déplacent à une vitesse d'environ 20 kilomètres par seconde, ce qui me paraissait très similaire à la poussée."
La fusion, la force qui propulse le soleil et les étoiles, combine des éléments légers sous forme de plasma - un état de matière chaud et chargé composé d'électrons libres et de noyaux atomiques qui composent 99% de l'univers visible - pour générer des quantités massives de énergie. Les scientifiques s'efforcent de reproduire la fusion thermonucléaire sur Terre afin d'obtenir une source d'énergie presque inépuisable pour produire de l'électricité.
Les propulseurs à plasma modernes, utilisant des champs électriques pour déplacer les particules, ne peuvent produire qu'une petite impulsion ou vitesse spécifique. Mais des simulations informatiques effectuées sur des ordinateurs PPPL ont montré que le nouveau concept de moteur à plasma peut générer des gaz d'échappement à des centaines de kilomètres par seconde, 10 fois plus vite que les autres moteurs.
La vitesse plus élevée du vaisseau spatial pourrait rendre les planètes extérieures accessibles aux humains. «Voyager sur de longues distances prend des mois, voire des années, car l'impulsion spécifique des moteurs de fusée chimiques est très faible, il faut donc du temps au navire pour prendre de la vitesse», a déclaré Fatima Ebrahimi. "Mais si nous créons des moteurs basés sur la reconnexion magnétique, nous pourrons peut-être faire des missions à longue distance dans un laps de temps plus court."
Il existe trois différences principales entre le nouveau concept de moteur et les autres appareils. Premièrement, modifier la force du champ magnétique peut augmenter ou diminuer la poussée. "En utilisant plus d'électroaimants et plus de champs magnétiques, vous pouvez réellement tourner le bouton pour affiner la vitesse."
Deuxièmement, le nouveau propulseur produit un mouvement en éjectant des particules de plasma et des bulles magnétiques appelées plasmoïdes. Les plasmoïdes ajoutent de la puissance au système de propulsion et aucun autre concept de moteur ne les inclut.
Troisièmement, contrairement aux concepts de propulseurs modernes qui reposent sur des champs électriques, les champs magnétiques d'Ebrahimi permettent au plasma à l'intérieur d'un propulseur d'être composé d'atomes lourds ou légers.
Cette flexibilité permet aux scientifiques d'adapter l'orientation pour une mission spécifique. «Alors que d'autres moteurs nécessitent un gaz lourd composé d'atomes comme le xénon, dans ce concept, vous pouvez utiliser n'importe quel type de gaz que vous souhaitez», a déclaré Ebrahimi. Dans certains cas, les scientifiques peuvent préférer un gaz plus léger car les atomes plus petits peuvent se déplacer plus rapidement.
Ce concept élargit le portefeuille de recherche sur la propulsion spatiale de PPPL. D'autres projets incluent l'expérience de propulseur de Hall, qui a été lancée en 1999 par les physiciens du PPPL Eugene Raitses et Nathaniel Fisch pour étudier l'utilisation de particules de plasma pour soutenir les vaisseaux spatiaux. Ils explorent également la possibilité d'utiliser de minuscules propulseurs à effet Hall pour donner à de petits satellites, appelés CubeSats, plus de maniabilité lorsqu'ils tournent autour de la Terre.
Ebrahimi a souligné que son concept de moteur est directement lié à ses recherches dans le domaine de l'énergie de fusion. Ce travail a été inspiré par des travaux de fusion passés, et c'est la première fois que des plasmoïdes et une reconnexion sont proposés pour la propulsion spatiale. La prochaine étape est le prototypage!