Voici le premier vaisseau spatial à propulsion nucléaire

Selon les précisions apportées par le patron de l'agence spatiale américaine, une sonde baptisée Space Reactor-1 Freedom (SR-1 Freedom) devrait s'envoler en décembre 2028 vers Mars… grâce à un réacteur à fission nucléaire ! Une première dans l'histoire des missions interplanétaires, qui reposent jusqu'ici sur l'énergie chimique et solaire pour expédier des engins à des dizaines de millions de kilomètres de la Terre, jusqu'à la Planète rouge notamment, voire plusieurs milliards de kilomètres pour atteindre les régions les plus reculées du Système solaire.

Le vaisseau SR-1 Freedom "démontrera la validité de la propulsion nucléaire dans l'espace lointain", promet la Nasa. Une technologie appelée à "raccourcir la durée des voyages, transporter des charges plus lourdes et alimenter des missions très énergivores au-delà de Jupiter, là où les panneaux solaires deviennent inopérants".

Le recours à l'énergie nucléaire constituerait effectivement une rupture majeure, "celle que les agences spatiales attendent depuis des dizaines d'années, témoigne Francis Rocard, responsable des programmes d'exploration du Système solaire au Centre national d'études spatiales (Cnes). Pour concevoir des missions beaucoup plus ambitieuses, il faudra tôt ou tard en passer là." Mais dans le spatial, 2028… c'est presque demain ! "Personne ne s'attendait à une telle annonce", reconnaît-il. Et cette échéance, qui correspond à la prochaine fenêtre de tir vers Mars après celle d'octobre 2026, est de fait "ultracourte".

Plusieurs raisons invitent toutefois à un certain optimisme. Car SR-1 bénéficiera d'une riche expérience acquise par les Américains, plusieurs composantes du vaisseau étant déjà construites ou "quasiment assemblées", a révélé Jared Isaacman. L'ambition d'exploiter l'énergie nucléaire dans l'espace n'est pas nouvelle aux États-Unis. Dès le début des années 1960, alors que le programme lunaire Apollo prenait forme, le président John F. Kennedy avait donné son feu vert. "Cela laisse entrevoir la possibilité, un jour, de disposer d'un moyen pour mener une exploration spatiale encore plus ambitieuse et exaltante - peut-être au-delà de la Lune, peut-être jusqu'aux confins mêmes du Système solaire", pressentait-il en 1961.

Deux grandes familles de réacteurs nucléaires étaient alors à l'étude. Qualifiés de "thermiques", les premiers agiraient comme des chaudières ultrapuissantes. Les réactions en chaîne scindant des noyaux d'atomes radioactifs - tels l'uranium 235 ou le plutonium 239 - chaufferaient un gaz comme l'hydrogène à plus de 4000 °C, avant de l'expulser à très grande vitesse pour produire une poussée. Avec une impulsion spécifique (ISP, la grandeur qui mesure l'efficacité d'un moteur) de 900 secondes, cette technologie serait deux à trois fois plus performante que la propulsion chimique brûlant de l'hydrogène et de l'oxygène.

"On pourrait rejoindre Mars en peut-être trois ou quatre mois contre les sept à onze habituels ", traduit Francis Rocard. Et réduire d'autant l'exposition des équipages aux particules cosmiques et solaires lors de futures missions habitées. Tel était l'objectif du programme Nerva de la Nasa, qui culmina en 1969 avec le test d'un moteur quasiment qualifié pour le vol.

Seconde approche, les réacteurs nucléaires dits "électriques". Fonctionnant à des températures plus modérées - autour de 1500 °C -, ils produiraient eux aussi de la chaleur, mais convertie cette fois en électricité au moyen de turbines. Cette énergie alimenterait un ou plusieurs moteurs ioniques qui accélèrent puis éjectent un gaz, généralement le xénon. Avec une ISP pouvant atteindre 2000 à 3000 secondes, ces systèmes n'auraient besoin que de quantités très réduites de carburant, allégeant d'autant la masse à emporter dans l'espace.

"Mais cette efficacité a un prix", pose Francis Rocard. Car la poussée, bien plus faible qu'avec la propulsion nucléaire thermique, n'imprime pas d'accélération brutale. Elle agit lentement, en continu, jusqu'à atteindre au fil du temps des vitesses considérables. "La propulsion nucléaire électrique serait ainsi idéale pour acheminer du fret lourd vers Mars ou rallier en un temps record les lointaines Saturne, Uranus ou Neptune", illustre-t-il.

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Un programme en sommeil pendant 40 ans

Développé dans le cadre du programme Snap de l'US Air Force, ce type de réacteur avait été embarqué en 1965 à bord du satellite expérimental Snap-10A, lancé à 1300 km d'altitude. De la taille d'un gros extincteur, il fournissait 500 watts d'électricité pour alimenter ses systèmes de bord et tester un petit propulseur ionique au césium. Il évacuait sa chaleur non pas avec de l'eau (impossible dans l'espace, où elle s'évapore instantanément) mais grâce à de grandes ailettes radiatives. Resté actif une quarantaine de jours, il est le seul réacteur nucléaire à avoir jamais fonctionné dans l'espace ! 

Mais en 1964, son prédécesseur Snap-9A avait explosé peu après le décollage, dispersant un kilogramme de plutonium radioactif dans l'atmosphère. Entre les inquiétudes environnementales et les coupes budgétaires qui suivirent la fin d'Apollo, les programmes Nerva et Snap furent abandonnés au milieu des années 1970. "Une mise en sommeil qui durera près de 40 ans", observe Francis Rocard.

Jusqu'au retour, dans les années 2010, de grandes ambitions spatiales pour les États-Unis, avec la mise en œuvre du programme Artemis visant à installer une présence humaine durable sur la Lune - et préparer, à terme, des vols habités vers Mars. "Alors que les Américains investissent des dizaines de milliards de dollars dans le programme Artemis, il n'est pas étonnant qu'ils s'intéressent à nouveau à des technologies de rupture comme le nucléaire spatial", analyse l'astrophysicien.

En 2015, la Nasa relance ainsi ses recherches avec le projet Kilopower. Objectif : développer de petits réacteurs nucléaires pouvant fournir de 1 à 10 kilowatts d'électricité pour alimenter de futures bases lunaires et martiennes. Puis, en 2021, la Darpa, l'agence de recherche avancée du Pentagone, s'associe à Lockheed Martin pour raviver l'héritage de Nerva dans la propulsion nucléaire thermique. Baptisé Draco, le programme devait tester ses premiers prototypes entre la Terre et la Lune, avant de démontrer que de tels moteurs pourraient ramener à trois ou quatre mois le trajet vers Mars. Malgré ces promesses, l'initiative est abandonnée en 2025. En cause : des coûts trop importants et de lourdes contraintes réglementaires liées aux déchets radioactifs de ces réacteurs.

Une minicentrale sur la Lune

L'expérience acquise grâce à la mission SR-1 Freedom sera mise à profit pour construire une centrale nucléaire compacte sur la Lune. Baptisée Lunar Reactor 1, elle produira, elle aussi, de l'électricité à partir de la chaleur dégagée par la fission d'atomes d'uranium faiblement enrichis. Attendue au début des années 2030, cette minicentrale délivrera d'abord 40 kilowatts d'électricité avant de monter en puissance.

Son rôle : alimenter la future base habitée du programme Artemis, près du pôle Sud de la Lune. Alors que les nuits s'étirent sur 14 jours et que certaines zones sont plongées dans une obscurité permanente, le réacteur assurera le fonctionnement continu des systèmes de survie, des véhicules et des instruments scientifiques.

Limiter les risques de prolifération et d'accident

C'est notamment pour ces raisons que SR-1 Freedom empruntera l'autre voie du nucléaire spatial : la propulsion nucléaire électrique, "plus simple à mettre en œuvre et ne générant pas de déchets radioactifs", souligne Francis Rocard. Dans la continuité de Draco, la mission utilisera de l'uranium faiblement enrichi (moins de 20 %) plutôt que des matières fissiles hautement enrichies utilisées pour Snap et Kilopower, afin de limiter les risques de prolifération et les conséquences d'un accident au lancement.

Et, par mesure de sécurité, le réacteur ne sera activé que 48 heures après le décollage, dans une orbite à haute altitude. Il sera maintenu à distance du reste de la sonde pour éviter que la radioactivité perturbe l'électronique, donnant au vaisseau une allure très allongée. À l'autre bout, d'immenses panneaux radiatifs dissiperont la chaleur excédentaire dans le vide de l'espace. Inspiré de Kilopower, le réacteur devrait fournir 20 kilowatts électriques pour alimenter un moteur ionique, le PPE (Power and Propulsion Element), conçu à l'origine pour la station lunaire Gateway. Pour viser un lancement fin 2028, la Nasa s'appuie ainsi sur plusieurs briques technologiques déjà existantes.

Si SR-1 Freedom reste avant tout un "démonstrateur", souligne Francis Rocard, elle transportera vers Mars une précieuse cargaison. Après environ un an de voyage, elle larguera une capsule contenant trois petits hélicoptères, "très similaires au drone Ingenuity qui réalisa des dizaines de vols dans l'atmosphère ténue de Mars entre 2021 et 2024", détaille l'expert. L'escadrille prendra son envol avant même que la capsule ne touche le sol. Équipés de caméras, de radars et des systèmes de communication, les aéronefs travailleront alors en réseau pour explorer la surface martienne, détecter de la glace d'eau et repérer des sites d'atterrissage pour de futures missions habitées.