NASA SR-1 Freedom: Construction du premier vaisseau spatial nucléaire

Déplacer un objet dans l’espace consomme beaucoup d’énergie, même une fois qu’un vaisseau spatial a échappé au puits gravitationnel d’une planète. Cela s’explique en partie par l’immensité des distances entre les corps célestes.

Par exemple, si la distance entre la Lune et la Terre n’était que de 0,25 mètre, la distance entre Mars et la Terre serait de 500 mètres, et celle jusqu’à Neptune de 30 000 mètres.

Ainsi, plus le vaisseau spatial est lourd, plus il faut d’énergie pour déplacer cette masse à une vitesse suffisante pour franchir ces distances colossales. Et la même énergie est ensuite nécessaire pour décélérer.

Une autre limitation de l’exploration du lointain et des vols interplanétaires est que, pour créer une poussée, une certaine masse doit être éjectée. Mais plus il y a de carburant, plus il y a de masse morte, ce qui nécessite davantage d’énergie pour la propulsion. Ainsi, pour une forte accélération, le carburant éjecté doit être propulsé à très grande vitesse, générant un plus grand moment, et la source d’énergie doit être la plus dense possible.

Pour toutes ces raisons, l’idée d’utiliser l’énergie nucléaire pour les voyages spatiaux est aussi ancienne que la génération d’énergie nucléaire elle-même, le combustible étant l’uranium, l’un des « combustibles » les plus denses imaginables, un kilogramme d’uranium pouvant générer potentiellement jusqu’à 23 millions de kWh, contre 13 kWh pour 1 kg de pétrole et 7 kWh pour 1 kg de charbon.

Source: Visual Capitalist

Cependant, aucune des conceptions imaginées pour la propulsion des voyages spatiaux n’a encore été utilisée. L’utilisation la plus répandue de l’énergie nucléaire reste les générateurs radio‑thermiques, qui exploitent la désintégration passive d’éléments radioactifs à demi‑vie relativement courte pour alimenter les rovers et sondes du lointain pendant des années, voire des décennies.

Cela pourrait changer très bientôt, avec un réacteur spatial appelé SR-1 Freedom, SR signifiant « Space Reactor ».

Ce système de propulsion nucléaire électrique pourrait être déployé dès 2028. Il servira à acheminer vers Mars la charge utile Skyfall composée de trois hélicoptères de classe Ingenuity. Il sera principalement utilisé pour démontrer la technologie, mais à la taille prévue, il ne sera pas nettement plus rapide qu’une sonde ordinaire.

“Les hélicoptères Skyfall transporteront des caméras et un radar à pénétration de sol pour explorer un futur site d’atterrissage afin de comprendre les pentes et les dangers pour les atterrisseurs à l’échelle humaine. Ils cartographieront également et caractériseront la glace d’eau souterraine pour déterminer où se trouvent les dépôts de glace, ainsi que leur taille, profondeur et autres caractéristiques importantes.”

Steve Sinacore, directeur du programme de puissance de surface par fission à la NASA

Il s’agit d’une partie d’une remise à zéro plus large des programmes de la NASA, qui comprend l’annulation probable de la station spatiale Lunar Gateway, la réorganisation de la mission Artemis, et une construction plus ambitieuse de la future base lunaire, juste après le lancement réussi d’Artemis II, qui, pour la première fois depuis plus de 50 ans, amènera des astronautes en orbite lunaire.

Les nombreux types de propulsion spatiale nucléaire

Propulsion nucléaire électrique

Le système de propulsion nucléaire du SR-1 Freedom est nucléaire électrique, il utilise d’abord un réacteur nucléaire pour produire de l’électricité, puis cette énergie sert à générer la poussée des moteurs du vaisseau.

Pour convertir l’électricité en poussée, et donc en mouvement utile, la méthode la plus couramment utilisée, et celle employée par le SR-1 Freedom, est celle des propulseurs ioniques. Dans le cas du SR-1, des propulseurs à effet Hall.

Ces propulseurs ionisent un gaz à l’aide d’électricité, « chargeant » ainsi en énergie le gaz utilisé comme carburant, généralement du xénon ou du krypton. Ces réacteurs affichent une très haute efficacité de 45‑60 % et un impulsion spécifique élevée, ce qui signifie qu’une moindre masse de carburant est nécessaire pour le même effet de propulsion.

Cependant, les propulseurs ioniques sont relativement faibles individuellement, ils conviennent donc mieux aux voyages de longue distance, où une accélération lente et constante peut s’accumuler pour atteindre une grande vitesse.

Jusqu’à présent, les propulseurs ioniques ont été utilisés, mais ils sont limités par l’énergie fournie par les panneaux solaires de la sonde. Avec une source d’énergie nucléaire, beaucoup plus de poussée et d’accélération peuvent être générées.

De loin, il s’agit de la version la plus mature de la propulsion nucléaire, car la production d’énergie nucléaire et les propulseurs ioniques sont des technologies bien maîtrisées. Il ne reste donc plus qu’une question de conception et d’ingénierie pour les faire fonctionner ensemble, d’où le délai court pour le déploiement du SR-1.

Propulsion nucléaire thermique

Les réacteurs nucléaires génèrent de l’énergie en convertissant la radioactivité en chaleur, puis en transformant cette chaleur en électricité.

Ainsi, cette méthode de propulsion élimine l’intermédiaire et utilise directement la chaleur. L’idée est d’utiliser l’énergie nucléaire pour surchauffer un combustible, généralement de l’hydrogène liquide, et propulser le gaz chaud afin de générer le mouvement.

En théorie, cette idée pourrait générer une capacité de propulsion massive. En pratique, elle nécessite une grande quantité d’énergie nucléaire simultanément et beaucoup de carburant, ce qui la rend surtout applicable à des vaisseaux spatiaux massifs, bien plus grands que les sondes interstellaires habituelles ou même un lanceur super lourd comme le Starship.

Autres systèmes de propulsion nucléaire

La densité énergétique de l’énergie nucléaire a engendré des concepts potentiels encore plus audacieux.

Par exemple, le Projet Orion, sérieusement étudié dans les années 1950 et 1960, était au cœur de la guerre froide. Il envisageait une série d’explosions nucléaires comme principal moyen de propulsion, le vaisseau étant protégé des radiations et des dommages par un bouclier massif, un concept connu sous le nom de propulsion par impulsion nucléaire.

D’autres idées, comme les fusées à fragments de fission ou les fusées à réacteur à cœur gazeux, envisagent d’expulser le combustible nucléaire lui‑même comme matériau propulsif.

Cependant, ces idées sont davantage théoriques que pratiques dans la plupart des cas, en grande partie parce que l’échelle des vaisseaux spatiaux requise est simplement hors de portée dans un avenir prévisible.

Pourquoi la propulsion nucléaire n’a-t-elle pas encore eu lieu ?

Géopolitique

En partie, la raison pour laquelle la propulsion nucléaire n’a jamais eu lieu est qu’elle n’était tout simplement pas nécessaire. Après les multiples alunissages, la course à l’espace entre l’URSS et les États‑Unis s’est refroidie.

Et avec l’effondrement de l’URSS, l’ambition de construire des vaisseaux toujours plus grands ou des bases hors‑Terre a disparu pendant plusieurs décennies.

Pour l’exploration loin du Soleil, les générateurs radio‑thermiques suffisaient. Ainsi, la propulsion nucléaire n’est tout simplement pas requise pour les vols habités, au-delà de la station spatiale internationale, ni pour l’envoi de petites sondes vers Mars ou plus loin dans l’espace.

Cependant, l’ascension de la Chine en tant que puissance spatiale très sérieuse a déclenché une nouvelle course à l’espace vers la Lune et Mars. Cela pourrait expliquer la renaissance des projets américains de propulsion nucléaire, la propulsion nucléaire étant probablement nécessaire pour tout vol habité sérieux vers Mars ou au-delà.

Politique et image du nucléaire

L’image de l’énergie nucléaire a également été ternie par des accidents comme Tchernobyl et Fukushima, rendant l’idée d’envoyer un réacteur nucléaire dans l’espace, quelle que soit sa taille, impopulaire. Sans un fort soutien politique, ces programmes n’ont pas eu l’élan nécessaire pour passer des prototypes et tests à des vaisseaux spatiaux réels.

De plus, le Traité de l’espace de 1967 et le Traité d’interdiction partielle des essais nucléaires de 1963 ont anéanti les concepts de propulsion nucléaire comme le Projet Orion.

Enfin, lancer du matériel dans l’espace est toujours un projet risqué, les fusées pouvant échouer et exploser en route vers l’orbite.

Dans un tel cas, le matériau radioactif pourrait se disperser sur une vaste zone, et même si la quantité réelle est minime, la catastrophe potentielle a rendu la NASA réticente à prendre le risque sans un fort impulsion de la part des dirigeants politiques américains.

Problèmes techniques

Les réacteurs nucléaires, surtout entre les années 1950 et 1990, étaient d’énormes équipements. Ce type de réacteur est assez difficile, voire impossible, à utiliser dans l’espace, où chaque gramme compte. Le poids supplémentaire du blindage contre les radiations du réacteur ajoute encore de la masse.

Ce n’est pas aussi vrai à l’ère des SMR (Petits Réacteurs Modulaires) et des micro‑réacteurs, mais ces technologies sont relativement nouvelles.

L’embrittement causé par les neutrons frappant les matériaux environnants peut provoquer des fissures ou d’autres dommages aux matériaux aérospatiaux. Cela devait donc être mieux compris et atténué.

Les fusées thermiques nucléaires sont également vulnérables à la corrosion par l’hydrogène, celui‑ci devenant extrêmement agressif, rongeant le réacteur et les composants de propulsion aux températures envisagées de 2 200°C (4 000°F).

Conception du SR-1 Freedom

Un réacteur énergétique et de nombreuses premières

Le SR-1 Freedom sera basé sur un réacteur à fission à cycle Brayton fermé de 20‑40 kWe, une conception qui combine une source de chaleur nucléaire avec un système de conversion d’énergie à turbine à gaz dans une boucle scellée. La chaleur résiduelle est ensuite évacuée dans l’espace via de grands radiateurs en titane.

Source: CNET

Le réacteur sera alimenté par de l’uranium à faible enrichissement à haute teneur (HALEU), utilisant du combustible d’oxyde d’uranium, plus sûr à manipuler que le combustible d’armes nucléaires.

Pour protéger l’électronique (et les futurs astronautes) des radiations du réacteur, il est enfermé dans un bouclier de carbure de bore qui dirige les radiations loin du vaisseau.

Le SR-1 n’est de loin pas le premier prototype ou concept de propulsion nucléaire, mais il sera le premier à quitter le laboratoire et à atteindre l’espace, construit sur des décennies d’expérience et d’investissement dans le domaine.

“Pendant six décennies, les États‑Unis ont investi plus de 20 milliards de dollars dans des dizaines de programmes nucléaires spatiaux et n’ont lancé qu’un seul réacteur — le SNAP‑10A, en 1965. Il n’a jamais quitté l’orbite. Des milliards dépensés, des décennies perdues. Le SR-1 met fin à ce schéma. Une fenêtre de lancement vers Mars en décembre 2028 impose des décisions que des décennies d’études n’ont jamais prises.”

Jared Isaacman – Administrateur de la NASA

Réutilisation des modules du Lunar Gateway

Un autre élément expliquant comment le déploiement ultra‑rapide du SR-1 est possible est que la partie propulseur ionique du vaisseau est prête.

Le système de propulsion utilisé sera le bus spatial presque construit, développé par la NASA, le Power and Propulsion Element (PPE), initialement développé pour le Lunar Gateway.

Alors que la station spatiale lunaire semble être abandonnée, ses éléments, principalement construits par les partenaires de la NASA en Europe, au Japon, en Corée du Sud, au Canada et ailleurs, seront réaffectés à des projets comme le SR-1, correspondant mieux aux nouvelles ambitions spatiales de la NASA et des États‑Unis.

“Chaque atout, chaque kilogramme, toutes les ressources d’exploration lunaire que nous possédons seront concentrés sur une chose, à savoir construire la base lunaire,”

Carlos Garcia‑Galan - directeur adjoint du programme Gateway

Le PPE est équipé de quatre propulseurs à effet Hall de 6 kW fabriqués par Busek et de trois propulseurs à effet Hall du système de propulsion électrique avancée de 12 kW développés par la NASA et Aerojet Rocketdyne, filiale de L3Harris (LHX ).

Les panneaux solaires haute performance du PPE seront également conservés, au cas où le réacteur nucléaire expérimental aurait besoin d’entretien ou rencontrerait un problème.

Au‑delà du SR‑1

Vers davantage d’énergie nucléaire dans l’espace

L’objectif du SR‑1 est de fournir un test réel de la conception du réacteur nucléaire, tant pour la propulsion que pour d’autres utilisations.

Il sera donc probablement utilisé un jour pour un vol habité vers Mars, mais aura également des applications plus immédiates.

Par exemple, les données recueillies lors du vol du SR‑1 Freedom vers Mars seront importantes pour le développement du Lunar Reactor‑1 (LR‑1).

“Dans les années 2030, nous passerons à l’échelle et entrerons en production” de réacteurs supplémentaires. Nous parlons de réacteurs de plusieurs centaines de kilowatts à l’échelle du mégawatt pour toutes les applications nucléaires. Des missions plus puissantes vers la Lune, des missions humaines vers Mars, avec une participation commerciale et une production reproductible.”

Steve Sinacore, directeur du programme de puissance de surface par fission à la NASA

Ce réacteur à fission sera conçu pour fournir une énergie continue à une base lunaire pendant les périodes sans lumière solaire, et utilisera également une unité de conversion d’énergie à cycle Brayton fermé.

“Le programme de puissance de surface par fission est prévu pour livrer quelque chose lors de la phase trois afin d’augmenter la capacité, et peut‑être plus d’un élément, pour la capacité que nous estimons nécessaire pour la base lunaire. Tout ce que nous pouvons faire pour ne pas dépendre nécessairement de l’énergie solaire et permettre aux équipements d’obtenir du chauffage et peut‑être un peu d’énergie sera précieux pour notre capacité à aller de l’avant.”

Carlos Garcia‑Galan - directeur adjoint du programme Gateway

Cependant, à long terme, l’héritage le plus important du SR‑1 sera probablement la possibilité d’un vol nucléaire habité vers Mars, en 4 mois ou moins, contre 9 mois ou plus avec les fusées chimiques.

Systèmes futurs de propulsion nucléaire

Initialement prévu pour 2027, le DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), un moteur de fusée thermique, a été annulé en 2025, car il a été estimé que des fusées comme le Starship de SpaceX sont suffisantes pour les voyages orbitaux et cis‑lunaires.

Néanmoins, cette technologie pourrait potentiellement réduire de moitié le temps de voyage vers Mars, similaire à l’héritage potentiel du SR‑1.

À long terme, si la propulsion nucléaire électrique devient la norme, d’autres formes de propulsion nucléaire pourraient également devenir viables.

Une autre possibilité est d’équiper des vaisseaux cargo de systèmes de propulsion de type SR‑1, capables d’effectuer des allers‑retours vers la Lune ou Mars et d’accélérer d’autres vaisseaux, ne nécessitant qu’un ravitaillement occasionnel en propulseur gazeux ou en combustible radioactif. Ainsi, le même système pourrait fournir la propulsion pour des dizaines de missions du lointain.

Dans ce concept, la propulsion nucléaire électrique ou thermique pourrait accomplir pour l’exploration du lointain ce que SpaceX a réalisé pour les lancements orbitaux : créer des vaisseaux réutilisables et durables qui réduisent les coûts et rendent les voyages spatiaux beaucoup plus efficaces, permettant de déplacer des masses de charge utile beaucoup plus importantes.

Investir dans le SR‑12 Freedom

L3Harris

L3Harris est un important fournisseur aérospatial et entreprise de défense, résultat de la fusion de L3 Technologies et de Harris Corporation en 2019.

L’entreprise ne fournit pas seulement les propulseurs à effet Hall pour le SR‑1, mais participe également directement au développement du programme de puissance de surface par fission, qui fournira de l’énergie nucléaire à la future base lunaire américaine.

“La propulsion nucléaire peut alimenter l’exploration jusqu’aux confins du système solaire et au‑delà, renforcer la sécurité nationale et permettre des découvertes révolutionnaires. La manœuvrabilité dans l’espace a longtemps été un facteur limitant pour les explorations robotiques les plus ambitieuses et d’autres applications gouvernementales uniques, et L3Harris s’engage à éliminer cette contrainte.”

Kristin Houston, présidente, Space Propulsion and Power Systems, Aerojet Rocketdyne, L3Harris.

Son système de propulsion électrique a également été utilisé par la mission Dawn de la NASA vers les astéroïdes de la ceinture principale Cérès et Vesta.

L’entreprise explore également la propulsion nucléaire thermique (NTP), s’appuyant sur sa nouvelle expérience avec la propulsion nucléaire électrique et son expérience bien plus établie avec les générateurs thermoélectriques à radioisotope, ayant fourni la source d’énergie tant pour le rover Curiosity que pour le rover Perseverance sur Mars.

Cependant, l’espace n’est qu’un segment de l’activité de l’entreprise.

Son cœur de métier consiste à fournir aux forces armées américaines et à leurs alliés des communications sécurisées (la moitié du marché mondial des radios tactiques), des centres de commandement, des radars et des systèmes de communication, la guerre électronique, des satellites de détection de lancement de missiles, etc.

Aerodyne, l’entreprise qui fournit au SR‑1 ses systèmes de propulsion, est également un grand producteur de missiles, y compris des munitions pour les systèmes de défense antimissile, dont les stocks ont été fortement sollicités par les guerres en Ukraine et en Iran.

En général, la croissance prévue du budget militaire américain, passant de 1 trillion à 1,5 trillion de dollars, devrait profiter à tous les investisseurs du secteur de la défense, surtout que la guerre en Ukraine a épuisé les stocks et que le conflit avec l’Iran a révélé un besoin accru en munitions et en défense antimissile.

C’est cette dernière révélation de l’évolution de la stratégie militaire qui pourrait le plus bénéficier à L3Harris. Si l’Ukraine a mis en évidence l’importance des drones et de la guerre électronique, le conflit avec l’Iran a souligné l’importance des défenses antimissiles. Et plus que tout, l’importance d’un vaste stock d’intercepteurs, chaque missile entrant consommant 2‑3 intercepteurs.

De plus, le renouveau d’ambition de la NASA devrait également profiter à l’entreprise en tant que principal fournisseur de propulseurs ioniques et d’énergie nucléaire spatiale.

(Vous pouvez en savoir plus sur les activités aérospatiales et de défense de L3Harris dans notre rapport d’investissement dédié à l’entreprise.) in our investment report dedicated to the company

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