fusée à fusion

Une fusée à fusion est un concept théorique de fusée propulsée par fusion , capable d'assurer une accélération efficace et soutenue dans l'espace sans nécessiter d'importantes quantités de carburant. Sa conception requiert une technologie de fusion nucléaire dépassant les capacités actuelles et des fusées beaucoup plus grandes et complexes.

La propulsion par fusion nucléaire pulsée est une approche qui consiste à utiliser l'énergie de fusion nucléaire pour assurer la propulsion.

Le principal avantage de la fusion réside dans son impulsion spécifique très élevée , tandis que son principal inconvénient est la masse (probablement) importante du réacteur. Une fusée à fusion pourrait produire moins de radiations qu'une fusée à fission , réduisant ainsi la masse de blindage nécessaire. La méthode la plus simple pour construire une fusée à fusion consiste à utiliser des bombes à hydrogène , comme proposé dans le cadre du projet Orion , mais un tel vaisseau spatial serait massif et le Traité d'interdiction partielle des essais nucléaires interdit l'utilisation de telles bombes. De ce fait, les fusées à base de bombes seraient probablement limitées à un usage spatial. Une autre approche consiste à utiliser la propulsion électrique (par exemple ionique ), l'énergie électrique étant produite par fusion au lieu d'une poussée directe.

Les méthodes de propulsion spatiale, telles que les propulseurs ioniques, nécessitent de l'énergie électrique mais sont très efficaces. Dans certains cas, leur poussée est limitée par la quantité d'énergie pouvant être générée (par exemple, un lanceur de masse ). Un générateur électrique alimenté par l'énergie de fusion pourrait propulser un tel vaisseau. Un inconvénient réside dans le fait que la production d'électricité conventionnelle requiert un puits d'énergie à basse température, difficile (donc lourd) à intégrer dans un vaisseau spatial. La conversion directe de l'énergie cinétique des produits de fusion en électricité atténue ce problème.

Une possibilité intéressante consiste à diriger les gaz d'échappement de la fusion vers l'arrière de la fusée pour générer la poussée sans production intermédiaire d'électricité. Ceci serait plus facile avec certains systèmes de confinement (par exemple, les miroirs magnétiques ) qu'avec d'autres (par exemple, les tokamaks ). C'est également plus intéressant pour les « carburants avancés » (voir fusion aneutronique ). La propulsion à l'hélium-3 utiliserait la fusion d' atomes d'hélium-3 comme source d'énergie. L'hélium-3, un isotope de l'hélium composé de deux protons et d'un neutron , pourrait fusionner avec du deutérium dans un réacteur. L'énergie ainsi libérée pourrait expulser le propergol vers l'arrière du vaisseau spatial. L'hélium-3 est proposé comme source d'énergie pour les engins spatiaux principalement en raison de son abondance sur la Lune. Les scientifiques estiment qu'un million de tonnes d'hélium-3 accessible sont présentes sur la Lune. Seuls 20 % de l'énergie produite par la fusion deutérium-tritium pourraient être utilisés de cette manière. Les 80 % restants sont libérés sous forme de neutrons qui, ne pouvant être dirigés par des champs magnétiques ou des parois solides, seraient difficiles à orienter vers la propulsion et pourraient nécessiter un blindage . L'hélium-3 est produit par désintégration bêta du tritium , lui-même issu du deutérium, du lithium ou du bore.

Même s'il est impossible de produire une réaction de fusion auto-entretenue, il serait possible d'utiliser la fusion pour améliorer l'efficacité d'un autre système de propulsion, tel qu'un moteur VASIMR .

Pour entretenir une réaction de fusion, le plasma doit être confiné. La configuration la plus étudiée pour la fusion terrestre est le tokamak , une forme de fusion par confinement magnétique . Actuellement, les tokamaks sont très lourds, ce qui rend le rapport poussée/poids inacceptable. En 2001, le Centre de recherche Glenn de la NASA a proposé un réacteur torique sphérique à faible rapport d'aspect pour son prototype de véhicule « Discovery II ». « Discovery II » pourrait transporter une charge utile habitée de 172 tonnes vers Jupiter en 118 jours (ou 212 jours vers Saturne ) en utilisant 861 tonnes d' hydrogène comme propergol, ainsi que 11 tonnes de combustible de fusion hélium-3 - deutérium (D-He3). L'hydrogène est chauffé par les débris du plasma de fusion pour augmenter la poussée, au prix d'une vitesse d'éjection réduite (348–463 km/s) et donc d'une masse de propergol accrue.

La principale alternative au confinement magnétique est la fusion par confinement inertiel (FCI), telle que celle proposée par le projet Daedalus . Une petite pastille de combustible de fusion (de quelques millimètres de diamètre) serait enflammée par un faisceau d'électrons ou un laser . Pour produire une poussée directe, un champ magnétique forme la plaque de poussée. En principe, la réaction hélium-3-deutérium ou une réaction de fusion aneutronique pourraient être utilisées pour maximiser l'énergie des particules chargées et minimiser les radiations, mais la faisabilité technique de ces réactions est très incertaine. Les études de conception détaillées des années 1970, concernant le moteur Orion et le projet Daedalus, utilisaient toutes deux le confinement inertiel. Dans les années 1980, le Laboratoire national Lawrence Livermore et la NASA ont étudié un « Véhicule pour applications de transport interplanétaire » (VISTA) propulsé par FCI. Le vaisseau spatial conique VISTA pourrait transporter une charge utile de 100 tonnes en orbite autour de Mars et revenir sur Terre en 130 jours, ou en orbite autour de Jupiter et revenir en 403 jours. 41 tonnes de combustible de fusion deutérium/ tritium (D-T) seraient nécessaires, plus 4 124 tonnes d'hydrogène propulseur. La vitesse d'éjection serait de 157 km/s.

La masse très importante nécessaire et le défi de la gestion de la chaleur produite dans l'espace pourraient rendre un réacteur ICF impraticable dans les voyages spatiaux.

La fusion par cible magnétisée (MTF) est une approche relativement récente qui combine les avantages des approches de fusion par confinement magnétique (notamment un bon confinement de l'énergie) et de fusion par confinement inertiel (notamment un chauffage par compression efficace et un confinement sans paroi du plasma en fusion), deux approches plus largement étudiées. À l'instar de l'approche magnétique, le combustible de fusion est confiné à faible densité par des champs magnétiques pendant son chauffage en plasma . Cependant, comme pour l'approche par confinement inertiel, la fusion est initiée par une compression rapide de la cible afin d'augmenter considérablement la densité du combustible, et donc sa température. La MTF utilise des « canons à plasma » (techniques d'accélération électromagnétique) au lieu de lasers puissants, ce qui permet de concevoir des réacteurs compacts, légers et peu coûteux. Le groupe HOPE (Exploration humaine des planètes extérieures) de la NASA/ MSFC a étudié un vaisseau spatial habité à propulsion MTF capable de transporter une charge utile de 164 tonnes vers Callisto , lune de Jupiter, en utilisant 106 à 165 tonnes de propergol (hydrogène et combustible de fusion D-T ou D- ^³He ) en 249 à 330 jours. Ce modèle serait ainsi considérablement plus petit et plus économe en carburant grâce à sa vitesse d'échappement plus élevée (700 km/s) que les concepts « Discovery II » et « VISTA » mentionnés précédemment.

Un autre concept de confinement répandu pour les fusées à fusion est le confinement électrostatique inertiel (IEC), comme dans le fusor Farnsworth-Hirsch ou la variante Polywell développée par Energy-Matter Conversion Corporation (EMC2). L' Université de l'Illinois a défini un concept de « Fusion Ship II » de 500 tonnes capable de transporter une charge utile habitée de 100 000 kg vers Europe, lune de Jupiter, en 210 jours. Le Fusion Ship II utilise des propulseurs ioniques (vitesse d'éjection de 343 km/s) alimentés par dix réacteurs à fusion IEC D-He3. Ce concept nécessiterait 300 tonnes d' argon comme propergol pour un voyage aller-retour d'un an vers le système jovien. Robert Bussard a publié une série d'articles techniques sur son application aux vols spatiaux tout au long des années 1990. Ses travaux ont été popularisés par un article de la revue Analog Science Fiction and Fact , où Tom Ligon décrivait comment le fusor permettrait de réaliser une fusée à fusion très efficace.

Un concept encore plus spéculatif est la propulsion nucléaire pulsée catalysée par l'antimatière , qui utiliserait l'antimatière pour catalyser une réaction de fission et de fusion, permettant ainsi de créer des explosions de fusion beaucoup plus petites. Dans les années 1990, un projet de conception infructueux a été mené à l'Université d'État de Pennsylvanie sous le nom d' AIMStar . Ce projet nécessiterait une quantité d'antimatière supérieure à celle actuellement produite. De plus, certains obstacles techniques doivent être surmontés avant qu'il ne soit réalisable.

• Moteur-fusée à fusion directe – Concept de moteur-fusée
• Fusée à fusion magnéto-inertielle MSNW