L'antimatière pour propulser les futurs vaisseaux spatiaux de la NASALa plupart des vaisseaux spatiaux des histoires de science-fiction
utilise l'antimatière comme moyen de propulsion pour une bonne raison:
c'est le combustible le plus efficace. Là où des tonnes de combustible
chimique seraient nécessaires pour propulser une mission habitée vers
Mars, seuls quelques dizaines de milligrammes d'antimatière
suffiraient.
Ce à quoi un vaisseau spatial propulsé par un réacteur à positrons
pourrait ressembler (vue d'artiste)Dans la réalité, cependant, cette puissance a un prix. Certaines
réactions induites par l'utilisation de l'antimatière produisent des
rayons gamma de haute énergie. Les rayons gamma pénètrent la matière et
brisent les molécules des cellules vivantes. Ceux de grande énergie
peuvent également rendre radioactifs les moteurs en fragmentant les
atomes des matériaux dont ils sont constitués.
L'Institut des Concepts Avancés de la NASA (le NIAC) a constitué une
équipe de chercheurs pour travailler sur une nouvelle conception de
vaisseau spatial propulsé par l'antimatière qui permette d'éviter ces
fâcheux effets secondaires en produisant des rayons gamma beaucoup
moins énergétiques.
On surnomme parfois l'antimatière l'image miroir de la matière normale
parce que, tout en lui ressemblant parfaitement, certaines de ses
propriétés sont inversées. Par exemple, alors que les électrons normaux
ont une charge électrique négative, les anti-électrons ont une charge
positive, les scientifiques les appelant pour cela les "positrons".
Quand l'antimatière rencontre la matière normale, les deux s'annihilent
dans un violent flash d'énergie. C'est cette transformation totale en
énergie qui rend l'antimatière si puissante. Même les plus fortes
réactions nucléaires en sont très éloignées, avec seulement quelques
trois pour cent de la masse des produits convertie en énergie.
Des conceptions antérieures d'un vaisseau spatial propulsé par
antimatière utilisaient des antiprotons, qui produisent des rayons
gamma de grande énergie quand ils s'annihilent. La nouvelle étude se
base sur les positrons, qui génèrent des rayons gamma 400 fois moins
énergétiques.
L'étude actuelle du NIAC est une analyse préliminaire des possibilités
de concrétisation du concept. Si sa réalisation apparaît envisageable,
et si des fonds sont disponibles pour développer avec succès la
technologie, un vaisseau spatial propulsé par des positrons
présenterait certains avantages par rapport aux projets existants pour
une mission humaine vers Mars, appelée la "Mission de Référence
Martienne".
Schéma de principe d'un réacteur à positrons.
Des positrons sont dirigés à partir de l'unité de stockage vers une grille d'atténuation,
où ils interagissent avec la matière et émettent de la chaleur.
L'hydrogène liquide (H2) circule à travers la grille et capte cette chaleur.
L'hydrogène s'écoule alors vers la sortie de la tuyère (la forme de cloche en jaune et bleu),
puis s'échappe dans l'espace, en produisant la poussée.
"L'avantage le plus significatif est l'accroissement de la sécurité"
indique le Dr. Gerald Smith, de Positronics Research à Santa Fe au
Nouveau-Mexique. La Mission de Référence nécessite un réacteur
nucléaire pour propulser le vaisseau spatial jusqu'à Mars. La
propulsion nucléaire raccourcit le temps du trajet, augmentant la
sécurité pour l'équipage en réduisant son exposition aux rayons
cosmiques. En outre, un vaisseau spatial à moteur chimique a une masse
bien plus élevée et est bien plus coûteux au lancement. Enfin, le
réacteur fournit une puissance suffisante pour une mission de trois
ans. Mais les réacteurs nucléaires sont complexes, et beaucoup de
choses pourraient éventuellement mal tourner durant la mission. "Le
réacteur à positrons offre les mêmes avantages tout en restant
relativement simple", remarque Smith.
De plus, les réacteurs nucléaires restent radioactifs même après avoir
consommé tout leur combustible. Une fois le vaisseau spatial rendu sur
place, la Mission de Référence prévoit de diriger le réacteur sur une
orbite qui ne rencontrera pas la Terre pendant au moins un million
d'années, quand le rayonnement résiduel sera réduit à des niveaux sûrs.
En revanche, il n'y a aucun rayonnement supplémentaire dans un réacteur
à positrons quand son combustible est épuisé, de telle sorte qu'il n'y
aurait aucun problème particulier si celui-ci devait accidentellement
rentrer dans l'atmosphère de la Terre, selon l'équipe des chercheurs.
Ce réacteur est également plus sûr au lancement. Si un lanceur portant
un réacteur nucléaire devait exploser, des particules radioactives
pourraient se disséminer dans l'atmosphère. "Le vaisseau spatial à
positrons émettrait un flash de rayons gamma s'il explosait, mais
ceux-ci s'évanouiraient en un instant. Aucune particule radioactive ne
viendrait à dériver au vent. Le flash se produirait également dans une
zone relativement petite. La zone dangereuse serait d'environ un
kilomètre autour du vaisseau spatial. Une grande fusée standard
propulsée chimiquement possède une zone dangereuse de taille à peu près
identique, à cause de l'énorme boule de feu qui résulterait de son
explosion", explique Smith.
Un autre avantage significatif est la vitesse. Le vaisseau spatial de
la Mission de Référence emmènerait les astronautes sur Mars en à peu
près 180 jours. "Nos concepts pourraient réduire ce temps de moitié
voire au quart", indique Kirby Meyer, ingénieur chez Positronics
Research .
Les moteurs avancés réalisent cela par la combustion à chaud, qui
augmente leur rendement ou leur "impulsion spécifique" (Isp). L'Isp
représente les "kilomètres au litre" des fusées: plus l'Isp est élevée,
plus la distance parcourue est grande avant l'épuisement du carburant.
Les meilleures fusées chimiques, comme le moteur principal de la
navette spatiale, peuvent brûler pendant environ 450 secondes. Un
réacteur nucléaire à positrons peut tenir plus de
9.0 secondes. Le
moteur "ablatif", qui se vaporise lui-même lentement pour produire la
poussée, pourrait tenir 5000 secondes.
Un des défis existants pour qu'un vaisseau spatial à positron devienne
une réalité est le coût de production de ces derniers. En raison de son
effet spectaculaire sur la matière normale, les particules
d'antimatière sont évidemment très rares ! Dans l'espace, elles sont
produites par des collisions à grande vitesse de particules (les rayons
cosmiques). Sur Terre, elles doivent être produites dans des
accélérateurs de particules, ces immenses machines qui fracassent les
atomes les uns contre les autres et qui sont habituellement utilisées
pour découvrir les secrets de l'univers à un niveau fondamental. Mais
ces machines peuvent être envisagées comme des usines de production
d'antimatière.
"Une évaluation grossière pour produire les 10 milligrammes de
positrons requis pour une mission vers Mars est environ de 250 millions
de dollars en utilisant des technologies actuellement en cours de
développement", signale Smith. Ce coût peut sembler élevé, mais il faut
considérer en regard le surcoût induit pour lancer une fusée chimique
plus lourde (les coûts actuels de lancement sont d'environ 20.000
dollars par kg) ou le coût pour remplir de combustible et pour assurer
la sécurité d'un réacteur nucléaire. "En se basant sur l'expérience de
la technologie nucléaire, il semble raisonnable de s'attendre à ce que
le coût de production des positrons diminue avec l'accroissement des
recherches", ajoute le chercheur.
Un autre défi est le stockage des positrons dans un espace réduit.
Comme ils annihilent la matière normale, on ne peut pas simplement "les
mettre en bouteille". Au lieu de cela, ils doivent être confinés à
l'aide de champs électriques et magnétiques. "Nous pensons avec
confiance, que par un programme dédié de recherches et de
développement, ces défis peuvent être surmontés", indique Smith.
S'il en est ainsi, il est possible que les premiers êtres humains qui
atteindront Mars le fassent à bord de vaisseaux spatiaux propulsés par
la même source d'énergie que celle des spationefs de science-fiction.
Source: NASA News Release et Illustrations: NASA & Positronics Research, LLC
