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Posté par Michel le Vendredi 21/04/2006 à 00:00
L'antimatière pour propulser les futurs vaisseaux spatiaux de la NASA
La plupart des vaisseaux spatiaux des histoires de science-fiction utilise l'antimatière comme moyen de propulsion pour une bonne raison: c'est le combustible le plus efficace. Là où des tonnes de combustible chimique seraient nécessaires pour propulser une mission habitée vers Mars, seuls quelques dizaines de milligrammes d'antimatière (Il s'agit ici d'une approche plus "philosophique" sur les questions posées par l'antimatière, ou sur ses applications humaines. Pour une approche plus...) suffiraient.


Ce à quoi un vaisseau spatial propulsé par un réacteur à positrons
pourrait ressembler (vue d'artiste)

Dans la réalité, cependant, cette puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) a un prix. Certaines réactions induites par l'utilisation de l'antimatière produisent des rayons gamma de haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Les rayons gamma pénètrent la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...) et brisent les molécules des cellules vivantes. Ceux de grande énergie peuvent également rendre radioactifs les moteurs en fragmentant les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) dont ils sont constitués.

L'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) des Concepts Avancés de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence...) (le NIAC) a constitué une équipe de chercheurs pour travailler sur une nouvelle conception de vaisseau spatial propulsé par l'antimatière qui permette d'éviter ces fâcheux effets secondaires en produisant des rayons gamma beaucoup moins énergétiques.

On surnomme parfois l'antimatière l'image miroir de la matière normale parce que, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en lui ressemblant parfaitement, certaines de ses propriétés sont inversées. Par exemple, alors que les électrons normaux ont une charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.) négative, les anti-électrons ont une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un...) positive, les scientifiques les appelant pour cela les "positrons". Quand l'antimatière rencontre la matière normale, les deux s'annihilent dans un violent flash d'énergie. C'est cette transformation totale en énergie qui rend l'antimatière si puissante. Même les plus fortes réactions nucléaires en sont très éloignées, avec seulement quelques trois pour cent de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la...) des produits convertie en énergie.

Des conceptions antérieures d'un vaisseau spatial propulsé par antimatière utilisaient des antiprotons, qui produisent des rayons gamma de grande énergie quand ils s'annihilent. La nouvelle étude se base sur les positrons, qui génèrent des rayons gamma 400 fois moins énergétiques.

L'étude actuelle du NIAC est une analyse préliminaire des possibilités de concrétisation du concept. Si sa réalisation apparaît envisageable, et si des fonds sont disponibles pour développer avec succès la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :), un vaisseau spatial propulsé par des positrons présenterait certains avantages par rapport aux projets existants pour une mission humaine vers Mars, appelée la "Mission de Référence Martienne".


Schéma de principe d'un réacteur à positrons.
Des positrons sont dirigés à partir de l'unité de stockage vers une grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de télévision. Une grille de contrôle est un élément...) d'atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...),
où ils interagissent avec la matière et émettent de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !).
L'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (H2) circule à travers la grille et capte cette chaleur.
L'hydrogène s'écoule alors vers la sortie de la tuyère (Une tuyère ou tuyère propulsive, dans le domaine de l'astronautique, est un conduit (appelé aussi divergent) de section conique (fusées de feu d'artifice) ou...) (la forme de cloche en jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :) et bleu),
puis s'échappe dans l'espace, en produisant la poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.).

"L'avantage le plus significatif est l'accroissement de la sécurité" indique le Dr. Gerald Smith, de Positronics Research à Santa Fe au Nouveau-Mexique. La Mission de Référence nécessite un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par...) pour propulser le vaisseau spatial jusqu'à Mars. La propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force motrice l'énergie fournie par le milieu extérieur ou par un moteur.) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) raccourcit le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) du trajet, augmentant la sécurité pour l'équipage en réduisant son exposition aux rayons cosmiques. En outre, un vaisseau spatial à moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique...) chimique a une masse bien plus élevée et est bien plus coûteux au lancement. Enfin, le réacteur fournit une puissance suffisante pour une mission de trois ans. Mais les réacteurs nucléaires sont complexes, et beaucoup de choses pourraient éventuellement mal tourner durant la mission. "Le réacteur à positrons offre les mêmes avantages tout en restant relativement simple", remarque Smith.

De plus, les réacteurs nucléaires restent radioactifs même après avoir consommé tout leur combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la combustion.). Une fois le vaisseau spatial rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D...) sur place, la Mission de Référence prévoit de diriger le réacteur sur une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) qui ne rencontrera pas la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) pendant au moins un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un...) d'années, quand le rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration...) résiduel sera réduit à des niveaux sûrs. En revanche, il n'y a aucun rayonnement supplémentaire dans un réacteur à positrons quand son combustible est épuisé, de telle sorte qu'il n'y aurait aucun problème particulier si celui-ci devait accidentellement rentrer dans l'atmosphère de la Terre (L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre solide. L'atmosphère sèche est constituée de 78,11 % d'azote, 20,953 % d'oxygène et de 0,934 %...), selon l'équipe des chercheurs.

Ce réacteur est également plus sûr au lancement. Si un lanceur ( Lanceur, terme de l'astronautique Lanceur, terme du baseball ) portant un réacteur nucléaire devait exploser, des particules radioactives pourraient se disséminer dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). "Le vaisseau spatial à positrons émettrait un flash de rayons gamma s'il explosait, mais ceux-ci s'évanouiraient en un instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.). Aucune particule radioactive ne viendrait à dériver au vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel...). Le flash se produirait également dans une zone relativement petite. La zone dangereuse serait d'environ un kilomètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide...) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) du vaisseau spatial. Une grande fusée (Fusée peut faire référence à :) standard propulsée chimiquement possède une zone dangereuse de taille à peu près identique, à cause de l'énorme boule de feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.) qui résulterait de son explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette...)", explique Smith.

Un autre avantage significatif est la vitesse (On distingue :). Le vaisseau spatial de la Mission de Référence emmènerait les astronautes sur Mars en à peu près 180 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le...). "Nos concepts pourraient réduire ce temps de moitié voire au quart", indique Kirby Meyer, ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à la mise en œuvre de...) chez Positronics Research .

Les moteurs avancés réalisent cela par la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie sous forme de chaleur ).) à chaud, qui augmente leur rendement ou leur "impulsion spécifique (L'impulsion spécifique (notée généralement Isp), dans le domaine de l'astronautique, est le quotient de deux grandeurs, dont l'une est la poussée d'un...)" (Isp). L'Isp représente les "kilomètres au litre" des fusées: plus l'Isp est élevée, plus la distance parcourue est grande avant l'épuisement du carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.). Les meilleures fusées chimiques, comme le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à...) principal de la navette spatiale (Une navette spatiale, dans le domaine de l'astronautique, est un véhicule aérospatial réutilisable conçu pour assurer la desserte des stations spatiales en orbite basse mais...), peuvent brûler pendant environ 450 secondes. Un réacteur nucléaire à positrons peut tenir plus de 900 secondes. Le moteur "ablatif (En linguistique, l’ablatif est un cas exprimant le lieu (ouvert) depuis lequel se produit un déplacement.)", qui se vaporise lui-même lentement pour produire la poussée, pourrait tenir 5000 secondes.


Moteur ablatif à positrons (vue d'artiste).
De minuscules capsules entourées de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) confinant les positrons sont tirées
dans le compartiment de la tuyère plusieurs fois par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La...).
Les positrons interagissent avec la capsule, et émettent des rayons gamma.
Le plomb les absorbe et rayonne des rayons X de basse énergie, qui vaporisent le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de la tuyère.
Le moteur produit une poussée matérialisée ici par un échappement blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où l'image...) bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre...).
Cette complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en sociologie, en informatique ou en sciences de...) est nécessaire car les rayons X sont absorbés plus efficacement
par le matériau de la tuyère que les rayons gamma.

Un des défis existants pour qu'un vaisseau spatial à positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour...) devienne une réalité est le coût de production de ces derniers. En raison de son effet spectaculaire sur la matière normale, les particules d'antimatière sont évidemment très rares ! Dans l'espace, elles sont produites par des collisions à grande vitesse de particules (les rayons cosmiques). Sur Terre, elles doivent être produites dans des accélérateurs de particules, ces immenses machines qui fracassent les atomes les uns contre les autres et qui sont habituellement utilisées pour découvrir les secrets de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) à un niveau fondamental. Mais ces machines peuvent être envisagées comme des usines de production d'antimatière.

"Une évaluation grossière pour produire les 10 milligrammes de positrons requis pour une mission vers Mars est environ de 250 millions de dollars en utilisant des technologies actuellement en cours de développement", signale Smith. Ce coût peut sembler élevé, mais il faut considérer en regard le surcoût induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité...) pour lancer une fusée chimique plus lourde (les coûts actuels de lancement sont d'environ 20.000 dollars par kg) ou le coût pour remplir de combustible et pour assurer la sécurité d'un réacteur nucléaire. "En se basant sur l'expérience de la technologie nucléaire, il semble raisonnable de s'attendre à ce que le coût de production des positrons diminue avec l'accroissement des recherches", ajoute le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont...).

Un autre défi est le stockage des positrons dans un espace réduit. Comme ils annihilent la matière normale, on ne peut pas simplement "les mettre en bouteille". Au lieu de cela, ils doivent être confinés à l'aide de champs électriques et magnétiques. "Nous pensons avec confiance, que par un programme dédié de recherches et de développement, ces défis peuvent être surmontés", indique Smith.

S'il en est ainsi, il est possible que les premiers êtres humains qui atteindront Mars le fassent à bord de vaisseaux spatiaux propulsés par la même source d'énergie que celle des spationefs de science-fiction (La science-fiction, prononcée /sjɑ̃s.fik.sjɔ̃/ (abrégé en SF), est un genre narratif (principalement littéraire et cinématographique) structuré par des hypothèses sur...).

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Source: NASA News Release
Illustrations: NASA & Positronics Research, LLC