La voie vers les humains sur Mars se trouve à travers l'atome, divisé.
Loin de la terre, que ce soit dans le vide ou sur un autre monde, le pouvoir est la vie.Un flux d'électricité stable et solide est aussi crucial pour les ordinateurs et les moteurs qui fonctionnent que pour assurer l'accès aux nécessités corporelles telles que la lumière et la chaleur, l'air respirant et l'eau potable, et la préparation ou même la croissance des aliments.Et l'une des façons les plus puissantes et les plus fiables d'obtenir tous ces kilowatts vitaux est via la fission nucléaire - quelque chose d'aspirants astronautes réalisés bien avant que quiconque n'atteigne l'espace (ou les armes nucléaires développées, d'ailleurs).Pourtant, plus de 60 ans dans l'ère spatiale, la fission nucléaire pour les vols spatiaux reste principalement un rêve.Maintenant, cependant, alors que la NASA poursuit son programme Artemis Apollo-esque pour construire un avant-poste lunaire équipé (en œil sur les atterrissages humains éventuels sur Mars), un alignement rare de la technologie, du financement et de la volonté politique est sur le point de fabriquer des réacteurs nucléaires d'origine spatialeUne réalité de routine.
En 2020, la Maison Blanche a donné à la NASA un délai de 10 ans pour livrer un système nucléaire de 10 kilowatt à la surface de la lune.Le projet est désormais une priorité absolue de la Direction de la mission de la technologie spatiale de l'agence.Et en juillet 2021, les percepteurs du Congrès ont affecté 110 millions de dollars à la NASA pour faire avancer le développement d'une nouvelle fusée nucléaire adaptée à l'envoi de fret et d'équipage sur les voyages interplanétaires.La NASA n'avait même pas demandé de l'argent.
La raison de cette urgence soudaine est simple: sans l'énergie nucléaire, l'objectif déclaré de l'agence spatiale d'établir une base de lune d'ici la fin de la décennie - tout seul à mettre des bottes sur Mars - est difficile, voire impossible, à réaliser.
Étonnamment, aucune percée de technologie fondamentale n'est nécessaire pour construire un réacteur nucléaire pour les applications de vol spatiales.(En fait, le u.S.Je l'ai déjà fait une fois - et jusqu'à présent une seule fois - avec le développement et le lancement de l'Air Force d'un prototype de travail en 1965.) Au lieu de cela, la difficulté réside dans la navigation sur le réseau complexe de réglementations qui entoure tout ce qui est nucléaire et pour garantir que toute approche choisie pour l'énergie nucléaire au-de.Idéalement, la puissance de l'atome peut être exploitée non seulement pour les missions d'équipage sur la Lune et Mars, mais aussi pour l'exploration robotique dans tout le système solaire.
"L'objectif qui va est de s'assurer que ce que nous utilisons sur la lune du point.
La fission, explique-t-il, est un processus assez simple."C'est littéralement les bons matériaux dans la bonne géométrie", dit Houts.«C'est pourquoi, une fois que cela a été découvert, nous avons très rapidement eu des systèmes capables d'auto-entretenir une réaction en chaîne."Cela diffère complètement des générateurs thermoélectriques de radio-isotopes (RTG) qui alimentent les Mars Rovers de la NASA, la mission New Horizons à Pluton et au-delà, et le vaisseau spatial Voyager maintenant dans l'espace interstellaire.Les RTG convertissent simplement la chaleur libérée du plutonium naturellement en décomposition en électricité.Les réacteurs de fission sont beaucoup plus puissants et polyvalents, divisant les atomes du carburant d'uranium et canalisant l'énergie libérée en propulsion et en production d'électricité.
«Il n'y a pas de percées physiques nécessaires, aucun miracle nécessaire.Mais tout comme les systèmes terrestres, vous devrez avoir une très bonne ingénierie », dit Houts.
Un saut géant longtemps retardé
La NASA est publiquement enracinée sur son chronologie de Mars, mais depuis le premier mandat de l'ancien président George W.Bush, l'agence a régulièrement travaillé vers un saut géant sur la surface martienne à la fin des années 2030.En 2020, la NASA a demandé aux académies nationales des sciences, de l'ingénierie et de la médecine d'étudier les défis techniques, les avantages et les risques de propulsion nucléaire, en mettant particulièrement l'accent sur un lancement de cargaison nucléaire à l'origine nutionnelle sur Mars en 2033 qui précéderait une mission humaine en 2039.
En termes logistiques, à quoi ressemblerait une telle mission a à peine changé depuis les années 1950.Trois ans avant que le vol de Yuri Gagarin ne fasse des humains une espèce spatiale, le précurseur de la NASA, le Comité consultatif national pour l'aéronautique, a commencé une étude formelle de la propulsion nucléaire dans le cadre d'une expédition de Mars à l'équipage.Cette enquête prévoyait une expédition de 420 jours avec 40 jours à Mars.D'autres propositions plus ambitieuses ont examiné les séjours de surface plus longs sur Mars s'étendant à environ 500 jours, mais le profil de mission classique est resté la vision dominante de l'exploration de Mars à l'équipage, motivée en partie par la mécanique céleste et les raisons de survie: pour conserver le carburant, les deux Terreet Mars doit être correctement aligné sur leur orbite.Et technologiquement parlant, les humains ne sont pas encore prêts à couper le cordon ombilical terrestre et vraiment «vivre du terrain» dans l'espace.
Le corps humain peut gérer le voyage, comme en témoignent les décennies de données des équipages vivant et travaillant sur des stations spatiales en orbite à terre basse.Le record actuel pour le plus long séjour continu dans l'espace est détenu par le Cosmonaut Valeri Polyakov.Grâce à un schéma d'entraînement vigoureux hors du monde, il a pu marcher de sa capsule après avoir atterri malgré 437 jours en microgravité à bord musculaire à bord de la station spatiale soviétique Mir.À son retour sur terre, les premiers mots de Polyakov à un collègue cosmonaute auraient été «nous pouvons voler vers Mars."
L'objectif actuel de la NASA pour une mission Mars appelle un aller-retour d'environ deux ans.La propulsion nucléaire serait un catalyseur critique.En plus d'augmenter le nombre de possibilités de vol pour une mission d'équipage, cela réduirait le nombre de vols nécessaires pour obtenir le carburant pour un tel voyage sur l'orbite de la Terre.
Ces exigences de carburant sont considérables.La Station spatiale internationale, minutieusement construite, via plus de trois douzaines de lancements à travers une décennie, est d'environ 420 tonnes métriques.Un système de propulsion chimique nécessaire pour un aller-retour à Mars nécessiterait la tâche très coûteuse de lof quelque part entre plus de deux fois à près de 10 fois plus de tonnage de la Terre.Considérez que le plus puissant des fusées de la NASA - le système de lancement de l'espace (SLS), qui n'a pas encore volé - devrait transporter seulement 95 tonnes métriques à l'espace à 2 milliards de dollars par lancement.Si - ou quand - le SLS est remplacé par des fusées plus compétentes et plus efficaces telles que le développement dans le développement de SpaceX et le vaisseau réutilisable, cette limite de masse à un seul lancement augmentera à plus de 100 tonnes métriques, et le prix par lancement devraitplomb.Malgré cela, le calcul financier d'une mission Mars à alimentation chimique serait toujours intimidant.
En revanche, une mission analogue Mars utilisant la propulsion nucléaire nécessiterait d'envoyer une masse totale comprise entre 500 et 1 000 tonnes métriques.Le lancement de l'équivalent d'une seule station spatiale - peut-être deux - est plausible.Après tout, nous l'avons fait avant.
Choix difficiles
La NASA poursuit actuellement non pas une mais deux classes de fusée à propulsion atomique: propulsion thermique nucléaire et propulsion électrique nucléaire.L'une ou l'autre de ces approches pourrait s'associer à la puissance de surface nucléaire - la troisième technologie de fission clé à l'étude par l'agence spatiale.
La propulsion thermique nucléaire mise en œuvre à l'échelle interplanétaire serait essentiellement un stade de ferry ou de transfert - une plus petite fusée à propulsion nucléaire qui accosterait avec d'autres éléments de transport en orbite avant de pousser sa charge utile lancée séparément.Un tel arrangement fonctionne un peu comme un système de propulsion chimique, bien que la chambre de combustion - où le carburant et l'oxydateur d'une fusée se mélangent et s'enfuisent, produisant un échappement chaud forcé à la buse de fusée - est remplacé par un réacteur nucléaire qui chauffe un propulseur cryogénique, le faisant exploser à traversla buse pour générer une poussée.Le processus, vu en externe, semble pratiquement identique: un moteur de fusée qui souffle le feu.
La propulsion électrique nucléaire, en revanche, fonctionne beaucoup comme une centrale nucléaire sur Terre, dans laquelle des réactions de fission sont utilisées (via une étape intermédiaire comme la conduite d'une turbine) pour produire de l'électricité.Cette électricité, à son tour, peut alimenter un système de propulsion électrique similaire à (mais beaucoup plus fort que) les propulseurs d'ions solaires sur l'aube de la NASA, un vaisseau spatial qui a exploré l'astéroïde Vesta et Planet Dainf Ceres.
Il y a des compromis à chaque approche.Le plus grand défi de la propulsion thermique nucléaire est qu'il s'agit d'un réacteur haute performance fonctionnant à haute température, atteignant environ 2 500 degrés Celsius - une perspective troublante pour les astronautes et les ingénieurs de matériaux.Le réacteur nécessiterait également d'immenses volumes de propulseur cryogénique, probablement provenant de réservoirs de stockage en orbite qui portent leurs propres défis d'ingénierie. But the approach’s focused intensity has an upside: “The propulsion system only needs to run for a few hours total," Houts says.«Vous faites tout votre [travail] très rapidement." After that, the spacecraft has all the speed it needs for a trip to Mars or home.
La propulsion électrique nucléaire, quant à elle, fonctionne à des températures et des niveaux de puissance plus bas.C'est un système plus complexe que son homologue thermique à bien des égards.Et il est moins développé: les niveaux de performance calculés pour les conceptions à court terme sont bien en deçà de ce qui serait nécessaire pour une mission d'équipage à Mars.La puissance produite par le réacteur d'un système de propulsion électrique nucléaire doit être convertie à plusieurs reprises (plutôt que d'être simplement absorbée et dissipée par le propulseur soufflé à l'arrière d'une fusée).Les conversions ne peuvent être effectuées qu'avec des pourcentages d'efficacité allant du milieu des années 30 à 40.Le reste de cette énergie thermique doit en quelque sorte être traité: les concepts actuels appellent à des radiateurs massifs pour dissiper l'excès de chaleur dans l'espace.Le vaisseau spatial électrique nucléaire nécessiterait également un coup de pied court et pointu d'un système de propulsion chimique à l'ancienne pour l'aider à échapper à l'orbite de la Terre et à un autre pour entrer et sortir de l'orbite autour de Mars.
Passé et futur
En partie en raison de sa simplicité relative, la propulsion thermique nucléaire est le favori clair parmi les planificateurs de mission Mars - et u.S.Les politiciens.C'était l'approche qui a rapporté l'approbation de 110 millions de dollars des créanciers du Congrès en juillet 2021 et que le rapport des académies nationales parrainé par la NASA a signalé comme le plus plausible pour permettre une mission d'équipage en 2039 sur la planète rouge.
La propulsion thermique nucléaire a également l'avantage d'un riche héritage: le u.S.Le gouvernement - le ministère de la Défense - a essayé de faire voler la technologie depuis l'aube de l'ère spatiale.Une première tentative audacieuse trace à un effort de 1955 Air Force connu sous le nom de Project Rover, qui a cherché à construire un stade supérieur thermique nucléaire pour les missiles balistiques intercontinentaux.Mais la propulsion chimique s'est rapidement avérée suffisante pour ce travail, donc Rover a été absorbé par la NASA, où elle est devenue le programme de moteur nucléaire pour les véhicules (NERVA).À la fin des années 1950, le DoD a commencé à travailler sur le programme Systems for Nuclear Auxiliary Power (SNAP), un effort pour lancer des réacteurs nucléaires d'espace aux missions de longue durée telles que les satellites d'espionnage.
Les deux projets ont obtenu des résultats impressionnants.Snap a conduit au lancement de l'Air Force en 1965 de Snap-10a, le seul U.S.réacteur de fission jamais envoyé dans l'espace.Le réacteur a fonctionné pendant six semaines en orbite.Nerva, quant à lui, a développé et testé avec succès des fusées thermiques nucléaires sur Terre.Et le programme était, pendant un certain temps, au cœur des plans post-Apollo de la NASA pour Mars Exploration.Mais l'administration Nixon a plutôt choisi de poursuivre la navette spatiale et a annulé les deux projets en 1973.Nerva a été brièvement ressuscité à la fin des années 1980 par un effort dirigé par l'Air Force, le programme de propulsion thermique nucléaire spatiale, mais au début des années 1990.
La propulsion électrique nucléaire a également eu son bref moment dans les projecteurs de la NASA.En 2003, une initiative appelée Project Prométhée a réuni la NASA, le U.S.Le programme des réacteurs sous-marins de la Marine et le ministère de l'Énergie - ce temps pour construire une flotte de propulsion électrique nucléaire pour les missions scientifiques.La fission spatiale permettrait à un seul vaisseau spatial d'explorer plusieurs cibles dans le système solaire extérieur et même au-delà, où la lumière du soleil clairsemée limite profondément le potentiel de l'énergie solaire.Project Prométheus aurait été rien de moins que révolutionnaire: son réacteur aurait produit 200 000 watts de puissance pour la propulsion et les instruments d'un vaisseau spatial.(En comparaison, la sonde New Horizons fonctionne sur seulement 200 watts de puissance, c'est-à-dire environ deux ou trois ampoules à incandescence.) La NASA, cependant, a étouffé Prometheus après deux ans, citant des problèmes de budget.
On pourrait penser que tous ces projets antérieurs seraient un énorme coup de pouce pour la poussée d'aujourd'hui pour développer une fusée à propulsion atomique, mais leur nature mercurielle les rend en usage limité.
“Historically, if you spend three or four years developing a nuclear propulsion system, and then you stop, and you come back a decade later, you’ve got to recapture a lot of knowledge," says Shannon Bragg-Sitton, a leading nuclear engineer at the Idaho National Laboratory and co-author of the National Academies report."Le fait que nous examinions ces deux systèmes depuis les années 1950 ne signifie pas que nous avons 70 ans de connaissances.Cela signifie que nous avons commencé à y penser alors, et nous avons fait quelques efforts dans chacun d'eux."
La date cible théorique de la NASA de 2039 pour une mission Mars à l'équipage peut sembler si loin que l'action urgente n'est pas encore nécessaire, mais Bragg-Sitton dit que le moment est trompeur.Le plan provisoire demande des vols de chargement à propulsion nucléaire pour commencer six ans plus tôt, en 2033, pour préposer les matériaux sur Mars et servir de course à sec pour le transport de l'équipage. “We need to be ready to actually launch our first system for qualification with those supply missions," she says. “Well, now the timeline is not as long as it sounded initially!" Ideally, she says, hardware designs for a flight in 2033 would be locked-in by 2027.Cela signifie que le moment est maintenant de prendre des décisions critiques, parmi eux en comparant et en choisissant entre la propulsion nucléaire thermique et électrique nucléaire.
“You can’t develop a nuclear system in a year or two—it’s just the way it is," Bragg-Sitton concludes.«Rien de tout cela n'est hors de notre portée.Il faut juste beaucoup de concentration pour le faire."
Mais d'abord, quelqu'un a besoin de le laisser faire.
Le pari draco
Il s'avère que l'approbation de lancer des matières nucléaires dans l'espace est au moins aussi difficile que de construire un réacteur nucléaire ou une fusée prête à l'espace.Cela est particulièrement vrai si votre système de fission repose sur de l'uranium hautement enrichi - c'est-à-dire que l'uranium composé de 20% ou plus de l'isotope fissile uranium 235.Seulement 1% de l'uranium naturel de la Terre prend cette forme, qui est apprécié par les concepteurs d'ogives et les ingénieurs spatiaux s'efforçant de rendre leurs créations aussi poids plumes et puissants que possible.Plus votre combustible nucléaire a de l'uranium 235, plus vous pouvez faire de votre réacteur ou votre bombe, c'est pourquoi le matériau est soumis à des réglementations aussi strictes.
Pour la NASA, même une charge utile nucléaire sans uranium hautement enrichi a d'énormes obstacles à claire - à savoir un processus d'analyse de la sécurité labyrinthique qui implique souvent de nombreuses autres agences fédérales et culmine dans l'administrateur de la NASA approuvant ou rejetant un lancement.Si une fusée porte de l'uranium hautement enrichi, cependant, il ne peut être lancé qu'après l'autorisation officielle de la Maison Blanche.La rigueur supplémentaire associée à ce niveau d'approbation le plus élevé peut facilement ajouter plusieurs années et des dizaines de millions de dollars au calendrier et au budget d'un projet.
Trouvez un moyen d'éviter d'utiliser de l'uranium hautement enrichi, et vous pouvez obtenir un chemin beaucoup plus rapide et moins cher vers le lancement.Il existe en fait de nouveaux modèles pour des réacteurs avancés de haute puissance qui utilisent de grandes quantités d'uranium à faible enrichissement plutôt que de petites quantités de matériaux hautement enrichis.Mais si la NASA poursuit ou non une telle approche pour ses aspirations nucléaires peut être dictée par le travail d'une autre entité fédérale: l'agence de projets de recherche avancée de la Défense souhaite lancer l'un de ces nouveaux réacteurs à l'espace d'ici 2025 pour alimenter une preuve de-Concept Système de propulsion nucléaire - Une chronologie qui serait agressive même selon les normes Apollo.DARPA appelle le système la fusée de démonstration pour les opérations Agile Cislunar, ou Draco.Les origines troubles du programme impliquent des demandes de DoD pour certaines de ses missions classifiées pour avoir la capacité de manœuvrer dans l'espace plus rapidement que ce qui ne serait possible par la propulsion chimique.
Le pari de Darpa avec Draco est double: il cherche à atteindre le lancement rapidement en utilisant un nouveau type de réacteur et en minimisant les essais basés sur la Terre, contournant ainsi le processus d'approbation de lancement de la fiole présidentielle et un nid de sous-essai.Cette stratégie audacieuse est née du jugement de l'agence selon laquelle ces tests sont désormais pratiquement impossibles à effectuer en raison de réglementations prohibitives et d'infrastructure inadéquate.On ne peut pas, par exemple, simplement mettre à jour et utiliser les installations spécialisées qui ont soutenu les tests de Nerva - ils ont été rasés à la fin du programme.La construction de nouvelles installations d'essai n'est pas non souhaitable, car cela nécessiterait des milliards de dollars et plusieurs années de travail pendant lesquelles le projet pourrait facilement être sabordé en changeant les priorités politiques.Bien que le plan accéléré de DARPA demande des tests de sol robustes des composants plus petits de Draco, cela n'inclut pas l'exploitation du réacteur complet à pleine puissance.Étonnamment, la toute première fois que le réacteur de Draco s'allumerait serait dans l'espace.
“Starting the reactor is going to be entirely based on our predictions," says Tabitha Dodson, a project manager for DRACO at DARPA.«Nous allons mettre beaucoup de conjectures dans notre modélisation et nos simulations avant de lancer le moteur, sans jamais l'avoir testé sur le terrain." Data from the NERVA tests of yore should help, Dodson says, but the task before the DRACO team remains “extremely challenging."
Après plus d'un demi-siècle de départs et d'arrêts, explique le major de l'Air Force Nathan Greiner, un autre chef de projet DARPA, le lancement d'un réacteur nucléaire serait un catalyseur critique. “Let’s get this all the way across the finish line—not just small elements, not just a reactor on the ground, but, no kidding, let’s go build a spacecraft and put it in space," he says. Such an “existence proof" would then ease the way for NASA or the DoD in any future overtures to congressional appropriators. The question would no longer be “Does this technology exist?" but rather “Do you want more of it—or not?"
Allons-nous sérieux
Bien sûr, Darpa à elle seule ne peut pas déclencher une révolution des vols spatiaux.La propulsion nucléaire pour l'exploration spatiale est un effort total.Au minimum, le ministère de l'Énergie devra fabriquer plus d'uranium à faible enrichissement.Une agence ou une autre - probablement, plusieurs travaillant ensemble - devront développer des dépôts de carburant orbital pour fournir des missions sortantes avec des propulseurs cryogéniques et devront trouver de meilleures façons d'effectuer des tests au sol des systèmes de propulsion à l'échelle interplanétaire.Et puis la NASA doit réellement construire les roquettes.
Draco n'obtiendra pas la NASA et ses astronautes jusqu'à Mars, Greiner dit: «Mais cela va prendre un sacré long chemin le long de ce chemin."
Si rien d'autre, la poussée d'aujourd'hui pour l'énergie nucléaire dans l'espace est une métrique utile pour mesurer la gravité des ambitions de la NASA - et de la nation - des ambitions lunar et martiennes. In the context of human spaceflight, NASA has a well-known aversion to “new" (and thus presumably more risky) technology—but in this case, the “old" way makes an already perilous human endeavor needlessly difficult.Pour tous les défis d'embrasser l'énergie nucléaire pour pousser l'horizon vers l'extérieur pour les humains dans l'espace, il est difficile de faire valoir que la propulsion chimique éprouvée est plus facile ou porte beaucoup moins physique et politique et politique.Lancement de 10 stations spatiales internationales de masse à travers 27 lancements de fusées superhevy pour le carburant seul pour une seule mission Mars serait un rythme difficile pour la NASA de soutenir.(C'est plus de 40 lancements et au moins 80 milliards de dollars si l'agence s'appuie sur le SLS.) Et un tel scénario suppose que tout se passe parfaitement: l'envoi d'aide à un équipage en difficulté sur ou autour de Mars nécessiterait des dizaines de lancements de carburant supplémentaires, et la propulsion chimique permet des fenêtres très limitées d'opportunité pour le décollage de toute mission de sauvetage.
Si, avec une seule technologie, ce nombre alarmant de lancements ridiculement coûteux pourrait être réduit à trois - tout en offrant également plus de chances de voyager sur Mars et de retour - comment une agence spatiale pourrait-elle être sérieuse dans ses ambitions de ne pas poursuivre cette approche?Aucun miracle n'est nécessaire, et les régulateurs et les appropriateurs semblent convenir que le moment est venu.
Comme l'a dit Polyakov: «Nous pouvons voler vers Mars." Splitting atoms, it seems, is now the safest way to make that happen.
