La propulsion nucléaire : bombes, réacteurs et moteurs à plasma
Depuis les années 1950, ingénieurs et physiciens veulent remplacer la chimie par l'atome pour aller plus vite et plus loin. Trois familles d'idées, de beaux succès au sol, et beaucoup de projets arrêtés en chemin.
L'équation de Tsiolkovski est claire : pour gagner de la vitesse sans emporter une montagne de carburant, il faut éjecter la matière plus vite. Or la combustion chimique est plafonnée par l'énergie de ses réactions. La fission de l'uranium libère, à masse égale, plusieurs millions de fois plus d'énergie que la combustion de l'hydrogène dans l'oxygène. Depuis les années 1950, trois façons d'utiliser cette énergie ont été étudiées : faire exploser l'atome derrière le vaisseau, s'en servir pour chauffer un gaz, ou le transformer en électricité.
Orion : avancer à coups d'explosions
L'idée la plus radicale remonte au mathématicien Stanislaw Ulam, en 1946. Le projet Orion, financé à partir de juillet 1958 et mené notamment par Ted Taylor et Freeman Dyson chez General Atomics, à San Diego, en est l'aboutissement : larguer derrière le vaisseau de petites charges nucléaires, qui explosent l'une après l'autre contre une épaisse plaque de poussée reliée au vaisseau par des amortisseurs. C'est une propulsion par impulsions. Les études annonçaient une impulsion spécifique d'environ 2 000 secondes, voire 4 000 à 6 000 dans certaines versions, contre 450 environ pour les meilleurs moteurs chimiques.
Le 14 novembre 1959, une maquette d'un mètre, propulsée par des explosifs classiques, vole 23 secondes et monte à 56 mètres. Mais le traité de 1963 interdisant les essais nucléaires dans l'atmosphère et dans l'espace rend le concept impossible à tester, et le projet est abandonné au milieu des années 1960. En 1968, Dyson esquisse une version interstellaire, à bombes à fusion, qui atteindrait 3,3 % de la vitesse de la lumière et Alpha du Centaure en 133 ans environ : un exercice théorique, jamais approché en pratique.
Rover et NERVA : un réacteur qui chauffe de l'hydrogène
La voie nucléaire thermique est plus sage. Un réacteur à fission chauffe de l'hydrogène liquide, qui se vaporise à plus de 2 600 °C et se détend dans une tuyère, comme dans un moteur-fusée classique. Pourquoi est-ce plus efficace ? Pour un gaz chaud, la vitesse d'éjection croît comme \sqrt{T/M}, où T est la température et M la masse molaire des gaz éjectés. Un moteur chimique rejette surtout de la vapeur d'eau (M = 18 g/mol) ; le moteur nucléaire rejette de l'hydrogène pur (M = 2 g/mol). À température comparable, le gain est considérable : la NASA retient une efficacité environ double de celle de la chimie.
Les programmes américains Rover puis NERVA l'ont démontré au sol, dans le désert du Nevada, de 1955 à 1973. Une vingtaine de réacteurs y ont été construits et essayés. L'un d'eux, Phoebus 2A, a dépassé 4 000 mégawatts ; un autre, NRX-A6, a fonctionné 62 minutes d'affilée à 1 100 mégawatts ; un moteur expérimental a été allumé et éteint 28 fois. Le programme a pourtant été arrêté en 1973, victime des restrictions budgétaires.
L'électricité nucléaire et les moteurs à plasma
La troisième voie, la propulsion nucléaire électrique, sépare les rôles : un réacteur produit de l'électricité, qui alimente des propulseurs ioniques ou à plasma. La poussée est faible, mais l'efficacité bien supérieure à celle du nucléaire thermique, et le réacteur fournit de l'énergie pendant des années, quelle que soit la distance au Soleil. Le premier réacteur placé en orbite, l'américain SNAP-10A, lancé le 3 avril 1965, ne délivrait guère plus de 600 watts et a fonctionné 43 jours.
L'enjeu est désormais d'atteindre le mégawatt. En février 2026, le JPL a fait fonctionner à 120 kilowatts un propulseur magnétoplasmadynamique alimenté par de la vapeur de lithium, soit plus de 25 fois la puissance des propulseurs de la sonde Psyche. Selon la NASA, une mission habitée vers Mars en demanderait au total 2 à 4 mégawatts.
DRACO, annoncé puis arrêté
En janvier 2023, la NASA et l'agence de recherche militaire américaine DARPA annoncent qu'elles vont tester en orbite, dès 2027, un moteur nucléaire thermique utilisant de l'uranium faiblement enrichi à haut titre. Le projet DRACO confie en juillet 2023 sa réalisation à Lockheed Martin et BWX Advanced Technologies. Mais en 2025, la DARPA y met fin : la baisse rapide du coût des lancements rendait le gain d'efficacité moins décisif face au coût du développement. La NASA poursuit des travaux au sol sur les combustibles et les matériaux.
Et sur Terre ?
Les mêmes réacteurs compacts, conçus pour fonctionner des années sans intervention, pourraient alimenter des bases polaires et des sites isolés ; la conversion de leur chaleur en électricité par des cycles fermés compacts intéresse aussi la production décentralisée (voir la marche A-SPC-18). Les céramiques capables de résister aux tuyères nucléaires serviraient, elles, de revêtements durables pour les fours de la sidérurgie et de la verrerie (voir la marche C-MAT-03).
Pour les étoiles, la fission ne suffira sans doute pas : les vitesses qu'elle permet d'envisager restent très loin des dizaines de milliers de kilomètres par seconde visés par les projets de sondes interstellaires. La suite logique est la fusion, que les ingénieurs du projet Daedalus avaient déjà mise au centre de leur vaisseau interstellaire dans les années 1970.