La meilleure carte de matière noire à ce jour soulève des questions sur l’univers

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Pour explorer en toute sécurité le système solaire et au-delà, les vaisseaux spatiaux doivent aller plus vite – les fusées à propulsion nucléaire peuvent être la réponse

Au cours des 50 dernières années, beaucoup de choses ont changé dans le domaine des fusées. Le carburant qui alimente les vols spatiaux peut éventuellement changer aussi. CSA-Printstock / Digital Vision Vectors via Getty Images Avec les rêves de Mars dans l’esprit de la NASA et d’Elon Musk, des missions habitées à longue distance dans l’espace viendront. Mais vous serez peut-être surpris d’apprendre que les missiles modernes ne tournent pas plus vite que les missiles du passé. Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles un vaisseau spatial plus rapide est préférable, et les fusées à propulsion nucléaire sont un moyen de le faire. Ils offrent de nombreux avantages par rapport aux fusées électriques à combustible conventionnelles ou modernes à énergie solaire, mais il n’y a eu que huit lancements spatiaux américains transportant des réacteurs nucléaires au cours des 40 dernières années. Cependant, en 2019, les lois régissant les vols spatiaux nucléaires ont changé et les travaux sur la prochaine génération de fusées ont déjà commencé. Pourquoi le besoin de vitesse ? La première étape du vol spatial consiste à utiliser des fusées de lancement pour mettre un navire en orbite. Ce sont les gros moteurs à essence que les gens imaginent lorsqu’ils pensent aux lancements de fusées et il est peu probable qu’ils disparaissent dans un avenir prévisible en raison des limitations de la gravité. Une fois que le vaisseau est dans l’espace, les choses deviennent intéressantes. Pour échapper à la gravité terrestre et atteindre des destinations spatiales lointaines, les navires ont besoin d’une accélération supplémentaire. C’est là que les systèmes nucléaires entrent en jeu. Si les astronautes veulent explorer quoi que ce soit au-delà de la Lune et éventuellement de Mars, ils devront se déplacer très, très rapidement. L’espace est immense et tout est éloigné. Il y a deux raisons pour lesquelles les fusées plus rapides sont meilleures pour les voyages spatiaux sur de longues distances : la sécurité et le temps. Les astronautes en voyage sur Mars seront exposés à des niveaux de rayonnement très élevés qui peuvent causer de graves problèmes de santé à long terme tels que le cancer et l’infertilité. La protection contre les radiations peut aider, mais elle est très lourde, et plus la mission est longue, plus la protection est nécessaire. La meilleure façon de réduire l’exposition aux rayonnements est simplement d’arriver plus rapidement là où vous allez. Mais la sécurité humaine n’est pas le seul avantage. Alors que les agences spatiales s’éloignent de l’espace, il est important d’obtenir le plus rapidement possible les données des missions sans pilote. Il a fallu 12 ans à Voyager-2 pour atteindre Neptune, prenant des photos étonnantes pendant son vol. Si Voyager-2 avait un système de propulsion plus rapide, les astronomes auraient pu obtenir les images et les informations qu’ils contenaient il y a des années. La vitesse est bonne. Mais pourquoi les systèmes nucléaires sont-ils plus rapides ? Le Saturn 5 mesurait 363 pieds de long et la plupart n’était qu’un réservoir d’essence. Mike Jetzer/heroicrelics.org, CC BY-NC-ND Systems Today Une fois qu’un navire échappe à la gravité terrestre, il y a trois aspects importants à considérer lors de la comparaison d’un système de propulsion : poussée – à quelle vitesse le système peut accélérer l’efficacité de masse du navire – combien force Propulsion qu’un système peut produire pour une quantité donnée de carburant Densité énergétique – quelle quantité d’énergie une quantité donnée de carburant peut produire Aujourd’hui, les systèmes de propulsion les plus couramment utilisés sont la propulsion chimique – c’est-à-dire le propulseur de fusée ordinaire – et les systèmes de propulsion solaire – électriques . Les systèmes de propulsion chimique fournissent beaucoup de poussée, mais les fusées chimiques ne sont pas particulièrement efficaces et les carburants pour fusées ne consomment pas beaucoup d’énergie. La fusée Saturn 5 qui a transporté des astronautes sur la Lune a produit 35 millions de newtons de force au décollage et a transporté 950 000 gallons de carburant. Alors que la majeure partie du carburant a été utilisée pour mettre la fusée en orbite, les limites sont claires : il faut beaucoup de carburant lourd pour aller n’importe où. Les systèmes de propulsion électrique génèrent une poussée en utilisant l’électricité produite à partir de panneaux solaires. La façon la plus courante de le faire est d’utiliser un champ électrique pour accélérer les ions, comme dans un motif Hall. Ces appareils sont couramment utilisés pour alimenter les satellites et peuvent avoir une efficacité de masse cinq fois supérieure à celle des systèmes chimiques. Mais il produit beaucoup moins de poussée – environ trois newtons, ou juste assez pour accélérer la voiture de 0 à 100 km/h en environ deux heures et demie. La source d’énergie – le soleil – est fondamentalement infinie mais devient de moins en moins utile à mesure que le navire s’éloigne du soleil. L’une des raisons pour lesquelles les missiles à propulsion nucléaire sont si prometteurs est qu’ils offrent une densité d’énergie incroyable. Le combustible à l’uranium utilisé dans les réacteurs nucléaires a une densité énergétique 4 millions de fois supérieure à celle de l’hydrazine, un propulseur chimique typique des fusées. Transporter une petite quantité d’uranium dans l’espace est beaucoup plus facile que de transporter des centaines de milliers de gallons de carburant. Alors qu’en est-il de la poussée et de l’efficacité de masse ? Le premier missile thermonucléaire a été construit en 1967 et peut être vu à l’arrière-plan. Au premier plan se trouve le manchon de protection qui maintiendra le réacteur. NASA/Wikipédia sont deux options pour les ingénieurs nucléaires qui ont conçu deux principaux types de systèmes nucléaires pour les voyages spatiaux. La première est appelée propulsion thermonucléaire. Ces systèmes sont très puissants et moyennement efficaces. Ils utilisent un petit réacteur à fission nucléaire – similaire à ceux que l’on trouve dans les sous-marins nucléaires – pour chauffer un gaz, tel que l’hydrogène, qui est ensuite accéléré à travers la tuyère d’un missile pour fournir une poussée. Les ingénieurs de la NASA estiment qu’une mission vers Mars propulsée par la propulsion thermique nucléaire sera 20 à 25 % plus courte qu’un voyage sur une fusée à propulsion chimique. Les systèmes de propulsion thermonucléaire sont plus de deux fois plus efficaces que les systèmes de propulsion chimiques – ce qui signifie qu’ils génèrent deux fois la poussée en utilisant la même quantité de poussée – et peuvent fournir 100 000 newtons de poussée. C’est assez de puissance pour faire passer une voiture de 0 à 100 km/h en un quart de seconde environ. Le deuxième système de missile à base nucléaire est appelé propulsion électrique nucléaire. Aucun système électrique nucléaire n’a encore été construit, mais l’idée est d’utiliser un réacteur à fission de grande puissance pour produire de l’électricité qui alimenterait ensuite un système de propulsion électrique tel qu’un propulseur Hall. Ce serait très efficace, trois fois mieux que le système de propulsion thermonucléaire. Parce qu’un réacteur nucléaire peut générer une grande quantité d’énergie, de nombreux propulseurs électriques individuels peuvent fonctionner simultanément pour générer une bonne quantité de poussée. Les systèmes électriques nucléaires seraient le meilleur choix pour les missions à très longue portée car ils ne nécessitent pas d’énergie solaire, ont un rendement très élevé et peuvent donner une poussée relativement élevée. Mais si les missiles nucléaires électriques sont très prometteurs, il reste encore beaucoup de problèmes techniques à résoudre avant de pouvoir être utilisés. Vue d’artiste de ce à quoi pourrait ressembler un vaisseau thermonucléaire construit pour emmener des humains sur Mars. John Frassanito & Associates / Wikipedia Pourquoi n’y a-t-il pas encore de missiles à propulsion nucléaire ? Les systèmes de propulsion thermonucléaire sont étudiés depuis les années 1960, mais ils n’ont pas encore volé dans l’espace. Les réglementations imposées pour la première fois aux États-Unis dans les années 1970 exigeaient essentiellement un examen et une approbation au cas par cas de tout projet spatial nucléaire de plusieurs agences gouvernementales et l’approbation explicite du président. Combiné à un manque de financement pour la recherche sur les systèmes de missiles nucléaires, cet environnement a empêché l’amélioration des réacteurs nucléaires pour une utilisation dans l’espace. Tout cela a changé lorsque l’administration Trump a publié un mémorandum présidentiel en août 2019. Et bien qu’elle ait préconisé la nécessité de maintenir les lancements nucléaires aussi sûrs que possible, la nouvelle directive permet aux missions nucléaires avec de plus petites quantités de matières nucléaires de contourner le processus d’approbation multi-agences. . Seule l’agence sponsor, comme la NASA par exemple, doit certifier que la mission respecte les recommandations de sécurité. Les missions nucléaires plus importantes passeront par le même processus qu’auparavant. Parallèlement à cette révision de la réglementation, la NASA a reçu 0 million de dollars dans le budget 2019 pour le développement de la propulsion thermonucléaire. La DARPA développe également un système de propulsion spatiale thermonucléaire pour permettre des opérations de sécurité nationale au-delà de l’orbite terrestre. Après 60 ans de stagnation, il est possible qu’une fusée à propulsion nucléaire se dirige dans l’espace d’ici une décennie. Cette réalisation passionnante inaugurera une nouvelle ère de l’exploration spatiale. Les gens iront sur Mars et les expériences scientifiques feront de nouvelles découvertes dans tout notre système solaire et au-delà. [You’re too busy to read everything. We get it. That’s why we’ve got a weekly newsletter. Sign up for good Sunday reading. ]Cet article est republié à partir de The Conversation, un site d’actualités à but non lucratif dédié à l’échange d’idées d’experts universitaires. Rédigé par : Ian Boyd, Université du Colorado Boulder. Lire la suite : A part le Falcon 9 de SpaceX, où est mon Millennium Falcon ? Comment SpaceX a réduit les coûts et les barrières à l’exploitation spatiale de la Lune pour que le carburant des fusées nous amène sur Mars Iain Boyd reçoit des financements des sources suivantes, dont aucune n’est liée à la propulsion spatiale : Office of Naval Research Lockheed Martin Northrop Grumman L3 Harris

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