Partie 2, les évolutions

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Améliorer le passé

Pour les missions Apollo, les ergols principaux étaient l'oxygène liquide (LOX) et l'hydrogène liquide (LH2) que l'on utilise généralement ensemble. Un moteur chimique a pour avantage que l'énergie dégagée provient de 80% de l'énergie de la transformation chimique entre ergols  L'oxygène liquide est en fait du dioxygène de formule O₂ refroidi à environ -183°C avec une pression atmosphérique égale au niveau de la mer et il a une masse volumique de 73kg/m³. Sa couleur est légèrement bleuté car il absorbe légèrement le rouge. L'hydrogène liquide est en réalité du dihydrogène, soit deux atomes d'hydrogène faisant une liaison covalente pour garder la règle du duet et que les atomes soient stables. Le dihydrogène, de formule H₂, est refroidit à environ -253°C. Ils sont séparés dans deux réservoirs différents pour éviter une réaction non voulue.

Lorsqu'ils réagissent entre eux le dioxygène et  le dihydrogène forment de l'eau (H₂O): 2H₂ +O₂ -->  2H₂O   

C'est cette eau qui va devenir le propergol du moteur. Au décollage, la poussée vient principalement (à 90%) de fusées à ergols solides. Les ergols sont des composants (composites). Ces composites sont un oxydant qui réagit avec un réducteur, un agent liant est parfois ajouter. Le plus répandu des composites utilisés par les lanceurs modernes est le propergol composite à perchlorate d'ammonium qui comporte un mélange de perchlorate d'ammonium (oxydant), poudre d’aluminium (le réducteur) et polybutadiène (le carburant qui joue également le rôle de liant). L'impulsion spécifique obtenue est de 250 secondes mais la poussée est énorme.

Pour avoir un moteur plus puissant, les scientifiques recherchent de nouveaux ergols plus stables, plus puissants et plus économes. Les propriétés recherchées sont:

• une densité élevée pour réduire le volume des réservoirs ou avoir plus de matière pour le même volume,
• une température d'ébullition la plus élevée possible pour permettre une cryogénisation moins complexe,
• une énergie de combustion élevée,
• des produits de combustion stables pour limiter les risques d'explosion,
• des produits de combustion à faible masse molaire pour réduire le poids pour le même nombre de mole.

Le futur et ses possibilités

Le moteur nucléaire à propulsion thermique:

Le moteur nucléaire à propulsion thermique (ou NTP) est un moteur envisagé pour succéder aux moteurs chimiques. Son principe est assez simple, Il utilise la chaleur des fissions contrôlées pour chauffer un liquide propulsif. Ce liquide surchauffé va être éjecté par la tuyère. Le principal défaut est que la résistance des matériaux à la chaleur extrême est loin d’être suffisante. Ce peu de résistance ne permet pas d’envisager pour l’instant une utilisation à pleine puissance. L’I_sp n’atteint pour l’instant que 7 000 s. Pour une fission, le carburant sera de l’uranium (₉₂U) ou un autre atome lourd car il est plus simple d'obtenir une fission sur un de ces atomes.

 

Le moteur nucléaire par fragment de fission:

C’est le moteur nucléaire le plus prometteur. Contrairement à la majorité des moteurs de ce type, il n’utilise pas un liquide qui va être propulsé. On utilise l’énergie cinétique directe du fragment de l’atome obtenu par fission. Cela utilise donc très peu de carburant. L’I_sp pourrait être de 1 000 000 de s. Ce chiffre énorme deviendrait inutile dans l’atmosphère à cause du peu de pénétration des fragments dans celui-ci. Sans parler des impacts environnementaux qui sont risqués. Les fragments sont très ionisés donc une tuyère magnétique suffit pour donner une direction aux fragments.

Le nucléaire est très prometteur mais à des gros soucis avec ses risques environnementaux en cas de défaillance du moteur. Cela provoquerait des retombées radioactives énormes et la dispersion des matériaux du moteur. Plus grave, un dysfonctionnement catastrophique entraînant une contamination de l'environnement pourrait survenir suite à l'explosion du lanceur, une rupture du confinement du cœur à cause de débris orbitaux (Astéroïdes ...) , d'une fission incontrôlée, de la fatigue des structures ou d'une erreur humaine. Une fission non contrôlée donnerait lieu à une explosion atomique. C'est pour cela que ces réacteurs ne sont pas envisagés pour une sortie de l'atmosphère.

Pour l’instant, aucun de ces moteurs nucléaires n’ont été utilisé en mission ou dans l’espace. Ils sont très fortement envisagés pour des missions à longues durées.

Le moteur ionique

Le moteur ionique est l’un des moteurs déjà utilisé sur certaines sondes. Son principe parait simple mais il est assez complexe en réalité. Pour faire simple, la matière à éjecter, ici le Xénon, est fortement ionisée et passe à travers des grilles chargées électriquement ce qui a pour effet d’accélérer les ions. En contrepartie, les grilles (et le moteur) subissent une réaction de force dans le sens opposé, c’est le principe de la propulsion ionique. Les ions retrouvent leurs électrons à la sortie de la tuyère magnétique pour garder la neutralité électrique du vaisseau. Son seul défaut est que, pour qu'il fonctionne, il lui faut de l'énergie en assez grande quantité pour pouvoir approvisioner les grilles électriques. Pour l'instant, les moteurs ioniques sont combinés avec des panneaux solaires mais pour une expédition s'éloignant du Soleil cette solution n'est pas viable. Il est donc question de le combiner avec un moteur moteur nucléaire pour obtenir de l'énergie a n'importe quel moment. Il obtient une I_sp de 5 000 jusqu’à 25 000 du fait de son faible poids et de peu de "masse d'appui" utilisé. Dans l'atmosphère, son souffle serait égal à un souffle humain sur une main située à 20 cm.