L’utilisation du nucléaire dans l’exploration lointaine de l’espace

Il existe peu d’environnements aus­si hos­tiles que l’espace, et y faire sur­vivre des humains est (et a tou­jours été) une gageure. Mais que les vols d’exploration soient habi­tés ou non, l’un des pro­blèmes majeurs reste tou­jours de trou­ver com­ment ali­men­ter en éner­gie le vais­seau ou la sonde spa­tiale. Là-haut, le mot « vide » n’a jamais aus­si bien por­té son nom, et pour pour­suivre des acti­vi­tés spa­tiales – ali­men­ter les engins en élec­tri­ci­té, les pro­pul­ser ou com­mu­ni­quer –, il faut soit trou­ver une source d’énergie sur place, soit l’emmener avec soi depuis la Terre.

Ce sont ces deux pos­si­bi­li­tés qui abou­tissent aux deux sources d’énergie actuel­le­ment uti­li­sées dans le spa­tial : l’énergie solaire, per­met­tant de conver­tir sur place une par­tie de la lumière du Soleil en élec­tri­ci­té grâce à des pan­neaux pho­to­vol­taïques ; mais aus­si l’utilisation de réac­tions nucléaires pour ali­men­ter et, à l’avenir, pro­pul­ser les engins dont les condi­tions d’utilisation ne per­mettent pas (ou mal) d’utiliser l’énergie solaire.

Sur Terre aus­si se trouvent des lieux si loin de la civi­li­sa­tion, et aux envi­ron­ne­ments si extrêmes, qu’il est très com­pli­qué d’y ache­mi­ner une source d’énergie stable et fiable. Fair­way Rock, par exemple, est une minus­cule île de moins d’1 km² située dans l’environnement gla­cial du détroit de Béring, au large de l’Alaska, entre les États-Unis et la Rus­sie. C’est sur ce minus­cule rocher, près du cercle polaire arc­tique, que la Navy amé­ri­caine y a ins­tal­lé pour la pre­mière fois en 1966 un Géné­ra­teur Ther­mo­élec­trique à Radioi­so­tope (RTG) pour four­nir en élec­tri­ci­té ses ins­tal­la­tions de « sur­veillance environnementale ».

Ce dis­po­si­tif est aujourd’hui la clé de la four­ni­ture en éner­gie de beau­coup de sondes d’exploration spa­tiale, dont les plus célèbres sont les sondes Pio­neer et Voya­ger (qui sont actuel­le­ment en train de quit­ter le Sys­tème solaire) ou la sonde Cas­si­ni-Huy­gens qui a explo­ré Saturne et ses lunes entre 2004 et 2017.

Bien que les RTG uti­lisent des maté­riaux radio­ac­tifs comme le Plu­to­nium 238 ou l’Américium 241, ils ne sont pas consi­dé­rés comme des « réac­teurs nucléaires » au sens où l’on ne pro­voque pas de réac­tion de fis­sion nucléaire entre­te­nues, comme dans les cen­trales nucléaires clas­siques. À la place, on uti­lise la chauffe natu­relle d’un bloc de maté­riau radio­ac­tif. Et c’est cette cha­leur, induite par la radio­ac­ti­vi­té, qui va être conver­tie en élec­tri­ci­té à l’aide de thermocouples.

Même si l’efficacité de cette conver­sion est assez faible (de l’ordre de 10 %), elle a l’avantage de pro­duire de l’électricité de manière stable et conti­nue pen­dant des dizaines d’années. Les maté­riaux radio­ac­tifs sont carac­té­ri­sés par leur « demi-vie », qui donne le temps au bout duquel leur radio­ac­ti­vi­té (et donc leur pro­duc­tion en éner­gie) a dimi­nué de moi­tié. Pour le Plu­to­nium 238 (le plus lar­ge­ment uti­li­sé dans les RTG actuels), sa demi-vie est de ~88 ans, ce qui assure une four­ni­ture en éner­gie suf­fi­sante pour les mis­sions spa­tiales dont les durées s’étendent typi­que­ment sur une ou deux décennies.

Mais la durée pen­dant laquelle le sys­tème four­nit de l’électricité n’est pas le seul inté­rêt de cette tech­no­lo­gie. En effet, le Soleil, lui, émet de la lumière en conti­nu, per­met­tant vir­tuel­le­ment à une mis­sion de se pour­suivre éter­nel­le­ment tant qu’elle est éclai­rée par la lumière. Mais c’est jus­te­ment là que le bât blesse. En fonc­tion des para­mètres de la mis­sion et de l’environnement du maté­riel scien­ti­fique, la four­ni­ture en éner­gie solaire n’est pas tou­jours garantie.

Les rovers uti­li­sés pour explo­rer la sur­face de Mars doivent faire avec les condi­tions météo­ro­lo­giques locales.

Sur Mars, par exemple, les rovers uti­li­sés pour explo­rer la sur­face doivent faire avec les condi­tions météo­ro­lo­giques locales. La pla­nète rouge pos­sède en effet une atmo­sphère qui, si elle est bien moins dense que l’atmosphère ter­restre (la pres­sion y est ~200 fois plus faible), n’empêche pas des vents par­fois très rapides de sou­le­ver la fine pous­sière ocre qui par­sème sa sur­face. Elle se redé­po­se­ra ensuite sur les pan­neaux solaires des robots humains, occul­tant par­fois presque tota­le­ment la lumière du Soleil disponible.

En décembre 2022, la mis­sion Insight d’étude de la struc­ture interne de Mars s’est ter­mi­née après 4 ans d’activité, ses pan­neaux solaires étant presque tota­le­ment recou­verts de pous­sière. C’est la rai­son pour laquelle les rovers Curio­si­ty et Per­se­ve­rance, envoyés sur Mars res­pec­ti­ve­ment en 2012 et en 2021, sont équi­pés d’un RTG. Outre la pro­duc­tion d’électricité, il per­met aus­si de réchauf­fer cer­taines par­ties sen­sibles de l’électronique qui s’accommodent mal des tem­pé­ra­tures moyennes mar­tiennes, tour­nant aux alen­tours de ‑60 °C.

Mais même sur des envi­ron­ne­ments sans atmo­sphère (et donc sans dépose de pous­sière), des RTG peuvent s’avérer néces­saires.
Lors des mis­sions Apol­lo sur la Lune, des RTG ont été uti­li­sés pour four­nir en éner­gie les ins­tru­men­ta­tions scien­ti­fiques dépo­sées près des modules d’atterrissage. La rai­son : cer­tains de ces équi­pe­ments étaient des­ti­nés à être uti­li­sés en conti­nu pen­dant plus de 10 ans. Or, sur la Lune, un jour est beau­coup plus long que sur Terre. Une jour­née (entre le lever et le cou­cher du soleil) dure près de deux semaines ter­restres. Quant à la nuit lunaire, elle dure aus­si long­temps. Des dis­po­si­tifs solaires n’auraient donc pas pu ali­men­ter en élec­tri­ci­té les ins­tru­ments pen­dant deux semaines, tous les mois : d’où l’utilité des RTG.

Enfin, même dans l’espace, là où le Soleil brille en conti­nu, il est néces­saire de bien réflé­chir au type de tech­no­lo­gie que l’on va uti­li­ser pour four­nir de l’électricité aux sondes d’exploration. En effet, comme toute source de lumière, plus on s’éloigne du Soleil, moins il nous éclaire. Et cette dimi­nu­tion de lumi­no­si­té est très rapide. Elle décroît comme le car­ré de la dis­tance. Si l’on s’éloigne 3 fois plus, on reçoit 9 fois moins de lumière. Lorsqu’on s’éloigne 10 fois plus, on reçoit 10² = 100 fois moins de lumière.

En pra­tique, pour toutes les mis­sions qui s’éloignent au-delà de l’orbite de Jupi­ter, la quan­ti­té de lumière reçue est si faible que l’utilisation de pan­neaux solaires n’est plus effi­cace. Une nou­velle fois, c’est la tech­no­lo­gie des RTG qui pal­lie ce pro­blème, comme, par exemple, pour la mis­sion Cas­si­ni-Huy­gens d’exploration de Saturne et de ses lunes ou la célèbre mis­sion New Hori­zons qui a, pour la pre­mière fois dans l’histoire de l’astronautique, per­mis d’obtenir des images réso­lues de la sur­face de Plu­ton après 10 ans de voyage dans le Sys­tème solaire.

Un autre domaine du spa­tial devrait, dans la décen­nie qui vient, voir arri­ver de nou­velles tech­no­lo­gies basées sur le nucléaire : la pro­pul­sion spa­tiale. Dans ce domaine, le prin­cipe est tou­jours le même : pro­je­ter le plus vite pos­sible la plus grande quan­ti­té pos­sible de matière d’un côté pour géné­rer une force qui pro­pulse le vais­seau dans la direc­tion oppo­sée. C’est le célèbre prin­cipe d’Action-Réaction. Actuel­le­ment, ce prin­cipe se décline, gros­siè­re­ment, en deux tech­no­lo­gies : la pro­pul­sion chi­mique et la pro­pul­sion élec­trique (ionique), avec pour cha­cune des avan­tages et des inconvénients.

La pro­pul­sion chi­mique conven­tion­nelle uti­lise des ergols dont la com­bus­tion pro­jette de grandes quan­ti­tés de gaz chauds, res­pon­sables d’une pous­sée très impor­tante, mais très limi­tée dans le temps (de l’ordre de la dizaine de minutes au maxi­mum). De plus, elle néces­site d’embarquer d’énormes quan­ti­tés de car­bu­rant qui alour­dissent elles-mêmes le vais­seau, néces­si­tant d’utiliser plus de car­bu­rant… pour pro­pul­ser ce carburant.

À l’inverse, la pro­pul­sion ionique consiste à accé­lé­rer un gaz ioni­sé entres des grilles élec­tri­que­ment char­gées. La vitesse de sor­tie des par­ti­cules ne dépend plus d’une réac­tion chi­mique par­ti­cu­lière mais de l’intensité du champ élec­trique que l’on crée.
La vitesse des par­ti­cules est poten­tiel­le­ment beau­coup plus éle­vée, ce qui per­met de réduire dras­ti­que­ment la quan­ti­té de car­bu­rant uti­li­sée. Un moteur ionique uti­lise une cen­taine de grammes de car­bu­rant par jour, là où la fusée Ariane consomme plu­sieurs cen­taines de tonnes d’ergols par seconde. Cette pro­pul­sion ionique est plus effi­cace et peut être uti­li­sée de manière conti­nue pen­dant plu­sieurs semaines, ou plu­sieurs mois, d’affilée.

L’inconvénient : elle génère une pous­sée extrê­me­ment faible (quelques new­tons au maxi­mum), ce qui impose de grandes contraintes sur les types d’appareils sur les­quels elle peut être uti­li­sée. La pro­pul­sion nucléaire ther­mique, quant à elle, consiste à uti­li­ser un fluide pro­pul­sif (de l’hydrogène, par exemple) et le réchauf­fer en le fai­sant pas­ser dans le cœur d’un réac­teur nucléaire. Il peut ensuite être expul­sé à grande vitesse, en grande quan­ti­tés, pour pro­pul­ser le vais­seau. En termes d’efficacité, la pro­pul­sion nucléaire se situe entre la pro­pul­sion chi­mique et la pro­pul­sion ionique, per­met­tant, en théo­rie, une vitesse d’éjection des gaz très impor­tante, tout en sup­por­tant des temps de pous­sée très longs.

En 2021, la NASA sélec­tion­nait 3 conglo­mé­rats d’entreprises pour réa­li­ser des études de concept de réac­teurs à pro­pul­sion nucléaire ther­mique (BWX Technologies/Lockheed Mar­tin d’une part, Gene­ral Ato­mics Elec­tro­ma­gne­tic Systems/X‑energy/Aerojet Rocket­dyne d’autre part et enfin Ultra Safe Nuclear Technologies/Blue Origin/General Elec­tric Hita­chi Nuclear Energy/General Elec­tric Research/Framatome/Materion). Les tra­vaux sont en cours.

Fin jan­vier 2023, Bill Nel­son, actuel admi­nis­tra­teur de la NASA, annon­çait une col­la­bo­ra­tion avec la DARPA (Defense Advan­ced Research Pro­jects Agen­cy) pour « déve­lop­per et démon­trer une tech­no­lo­gie de pro­pul­sion nucléaire ther­mique avan­cée dès 2027 ». L’Europe, quant à elle, a pro­duit en 2013 un rap­port inti­tu­lé « Méga­hit » qui pro­po­sait une feuille de route pour le déve­lop­pe­ment de sys­tèmes nucléaires spa­tiaux. Elle n’a tou­te­fois abou­ti à aucune publi­ca­tion depuis.

L’un des pro­blèmes prin­ci­paux dans le déve­lop­pe­ment de ces tech­no­lo­gies spa­tiales basées sur le nucléaire est bien enten­du l’aspect sécu­ri­té et socié­tal. Il est rela­ti­ve­ment facile aujourd’hui de construire des RTG dont les petits palets radio­ac­tifs sont pro­té­gés par des couches suc­ces­sives assu­rant un bon trans­fert ther­mique tout en résis­tant au mieux à des évè­ne­ments comme la des­truc­tion du lan­ceur au décol­lage ou à une ren­trée atmo­sphé­rique incon­trô­lée (c’est arri­vé en avril 1970 lorsque la mis­sion Apol­lo 13 est reve­nue sur Terre en urgence suite à l’explosion d’une par­tie du vais­seau. Après avoir résis­té sans rup­ture à la cha­leur de la ren­trée atmo­sphé­rique, le RTG char­gé d’alimenter les ins­tru­ments sur la Lune a plon­gé dans l’océan Paci­fique au-des­sus de la fosse des Ton­ga, pro­fonde de 10 km).

Par contre, il est dif­fi­cile, en l’état du déve­lop­pe­ment des futurs moteurs à pro­pul­sion nucléaire, d’établir com­ment ce genre d’engins bien plus gros et com­plexes pour­raient assu­rer un même niveau de sécu­ri­té. C’est pour­tant une étape  cru­ciale qu’il fau­dra bien pas­ser si l’on veut déve­lop­per ce genre de nou­velle tech­no­lo­gie de pro­pul­sion spa­tiale et atteindre la pla­nète Mars en bien moins de temps qu’on ne le fait aujourd’hui.