Plusieurs technologies ont été proposées qui permettent à la fois d’économiser du carburant et de voyager beaucoup plus vite que la méthodologie traditionnelle utilisant les transferts de Hohmann. Certaines ne sont encore que théoriques, mais au fil du temps, plusieurs des approches théoriques ont été testées sur des missions de vol spatial. Par exemple, la mission Deep Space 1 a été un test réussi d’un moteur ionique. Ces technologies améliorées se concentrent généralement sur un ou plusieurs des éléments suivants :

• Systèmes de propulsion spatiale avec une bien meilleure économie de carburant. De tels systèmes permettraient de voyager beaucoup plus vite tout en maintenant le coût du carburant dans des limites acceptables.
• Utilisation de l’énergie solaire et des ressources in situ pour éviter ou minimiser la tâche coûteuse d’expédition des composants et du carburant vers le haut depuis la surface de la Terre, contre la gravité terrestre (voir « Utilisation des ressources non terrestres », ci-dessous).
• Méthodologies novatrices d’utilisation de l’énergie à différents endroits ou de différentes manières qui peuvent raccourcir le temps de transport ou réduire le coût par unité de masse du transport spatial

En plus de rendre les voyages plus rapides ou moins coûteux, ces améliorations pourraient également permettre de plus grandes « marges de sécurité » de conception en réduisant l’impératif de rendre les engins spatiaux plus légers.

Concepts de fusée améliorésModification

Tous les concepts de fusée sont limités par l’équation de la fusée, qui fixe la vitesse caractéristique disponible en fonction de la vitesse d’échappement et du rapport de masse, de la masse initiale (M0, y compris le carburant) à la masse finale (M1, carburant épuisé). La principale conséquence est que des vitesses de mission supérieures à quelques fois la vitesse d’échappement du moteur-fusée (par rapport au véhicule) deviennent rapidement impraticables.

Fusées nucléaires thermiques et solaires thermiquesEdit

Dans une fusée nucléaire thermique ou une fusée solaire thermique, un fluide de travail, généralement de l’hydrogène, est chauffé à haute température, puis se détend à travers une tuyère de fusée pour créer une poussée. L’énergie remplace l’énergie chimique des produits chimiques réactifs dans un moteur de fusée traditionnel. En raison de la faible masse moléculaire et donc de la vitesse thermique élevée de l’hydrogène, ces moteurs sont au moins deux fois plus économes en carburant que les moteurs chimiques, même après avoir inclus le poids du réacteur.

La Commission américaine de l’énergie atomique et la NASA ont testé quelques conceptions de 1959 à 1968. Les conceptions de la NASA étaient conçues pour remplacer les étages supérieurs du lanceur Saturn V, mais les tests ont révélé des problèmes de fiabilité, principalement causés par les vibrations et l’échauffement qu’implique le fonctionnement des moteurs à des niveaux de poussée aussi élevés. Des considérations politiques et environnementales rendent peu probable l’utilisation d’un tel moteur dans un avenir prévisible, car les fusées thermiques nucléaires seraient plus utiles à la surface de la Terre ou à proximité et les conséquences d’un dysfonctionnement pourraient être désastreuses. Les concepts de fusées thermiques à fission produisent des vitesses d’échappement plus faibles que les concepts électriques et plasmatiques décrits ci-dessous, et sont donc des solutions moins intéressantes. Pour les applications nécessitant un rapport poussée/poids élevé, comme l’évasion planétaire, la thermique nucléaire est potentiellement plus attrayante.

Propulsion électriqueEdit

Les systèmes de propulsion électrique utilisent une source externe, comme un réacteur nucléaire ou des cellules solaires, pour générer de l’électricité, qui est ensuite utilisée pour accélérer un propergol chimiquement inerte à des vitesses bien plus élevées que celles atteintes dans une fusée chimique. Ces moteurs produisent une faible poussée et ne sont donc pas adaptés aux manœuvres rapides ou au lancement depuis la surface d’une planète. Mais ils sont si économes dans leur utilisation de la masse de réaction qu’ils peuvent fonctionner en continu pendant des jours ou des semaines, alors que les fusées chimiques utilisent la masse de réaction si rapidement qu’elles ne peuvent fonctionner que pendant quelques secondes ou minutes. Même un voyage vers la Lune est suffisamment long pour qu’un système de propulsion électrique dépasse une fusée chimique – les missions Apollo ont pris 3 jours dans chaque direction.

La sonde Deep Space One de la NASA a été un test très réussi d’un prototype de propulsion ionique, qui a tiré pendant un total de 678 jours et a permis à la sonde de descendre la comète Borrelly, un exploit qui aurait été impossible pour une fusée chimique. Dawn, la première mission opérationnelle de la NASA (c’est-à-dire sans démonstration technologique) à utiliser une propulsion ionique pour sa propulsion primaire, a réussi à se mettre en orbite autour des grands astéroïdes de la ceinture principale 1 Ceres et 4 Vesta. Une version plus ambitieuse, à propulsion nucléaire, était destinée à une mission sur Jupiter sans équipage humain, le Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), dont le lancement était initialement prévu au cours de la prochaine décennie. En raison d’un changement de priorités à la NASA en faveur des missions spatiales avec équipage humain, le projet a perdu son financement en 2005. Une mission similaire est actuellement en cours de discussion en tant que composante américaine d’un programme conjoint NASA/ESA pour l’exploration d’Europe et de Ganymède.

Une équipe multicentrique d’évaluation des applications technologiques de la NASA, dirigée depuis le Johnson Spaceflight Center, a en janvier 2011 décrit « Nautilus-X », une étude de concept pour un véhicule d’exploration spatiale multi-mission utile pour des missions au-delà de l’orbite terrestre basse (LEO), d’une durée maximale de 24 mois pour un équipage de six personnes. Bien que Nautilus-X soit adaptable à une variété d’unités de propulsion spécifiques à la mission, de diverses conceptions à faible poussée et à impulsion spécifique élevée (Isp), la propulsion nucléaire ionique-électrique est présentée à des fins d’illustration. Il est destiné à être intégré et vérifié à la Station spatiale internationale (ISS) et conviendrait aux missions dans l’espace lointain depuis l’ISS jusqu’à la Lune et au-delà, y compris les destinations Terre/Lune L1, Soleil/Terre L2, astéroïdes proches de la Terre et orbitales vers Mars. Il intègre une centrifugeuse à gravité réduite fournissant une gravité artificielle pour la santé de l’équipage afin d’améliorer les effets d’une exposition à 0g à long terme, et la capacité d’atténuer l’environnement de rayonnement spatial.

Fusées à propulsion par fissionEdit

Les missions à propulsion électrique déjà volées, ou actuellement programmées, ont utilisé l’énergie électrique solaire, ce qui limite leur capacité à fonctionner loin du Soleil, et limite également leur accélération maximale en raison de la masse de la source d’énergie électrique. Les moteurs nucléaires-électriques ou à plasma, fonctionnant pendant de longues périodes à faible poussée et alimentés par des réacteurs à fission, peuvent atteindre des vitesses bien supérieures à celles des véhicules à propulsion chimique.

Fusées à fusionEdit

Les fusées à fusion, alimentées par des réactions de fusion nucléaire, « brûleraient » des combustibles à éléments légers tels que le deutérium, le tritium ou le 3He. Comme la fusion produit environ 1 % de la masse du combustible nucléaire sous forme d’énergie libérée, elle est énergétiquement plus favorable que la fission, qui ne libère qu’environ 0,1 % de l’énergie massique du combustible. Cependant, les technologies de fission ou de fusion peuvent en principe atteindre des vitesses bien supérieures à celles nécessaires à l’exploration du système solaire, et l’énergie de fusion attend toujours une démonstration pratique sur Terre.

Une proposition utilisant une fusée à fusion était le projet Daedalus. Un autre système de véhicule assez détaillé, conçu et optimisé pour l’exploration du système solaire en équipage, « Discovery II », basé sur la réaction D3He mais utilisant l’hydrogène comme masse réactionnelle, a été décrit par une équipe du centre de recherche Glenn de la NASA. Il atteint des vitesses caractéristiques de >300 km/s avec une accélération de ~1,7-10-3 g, avec une masse initiale du vaisseau de ~1700 tonnes métriques, et une fraction de charge utile supérieure à 10%.

Propulsion exotiqueModifier

Voir l’article sur la propulsion des engins spatiaux pour une discussion d’un certain nombre d’autres technologies qui pourraient, à moyen ou long terme, être à la base de missions interplanétaires. Contrairement à la situation des voyages interstellaires, les obstacles aux voyages interplanétaires rapides impliquent l’ingénierie et l’économie plutôt que toute physique de base.

Voiles solairesModifier

Les voiles solaires reposent sur le fait que la lumière réfléchie par une surface exerce une pression sur celle-ci. La pression de rayonnement est faible et diminue au carré de la distance au Soleil, mais contrairement aux fusées, les voiles solaires ne nécessitent aucun carburant. Bien que la poussée soit faible, elle se poursuit tant que le Soleil brille et que la voile est déployée.

Le concept original reposait uniquement sur le rayonnement du Soleil – par exemple dans l’histoire « Sunjammer » d’Arthur C. Clarke en 1965. Des conceptions plus récentes de voiles légères proposent d’augmenter la poussée en visant des lasers ou des masers basés au sol sur la voile. Les lasers ou masers au sol peuvent également aider un vaisseau spatial à voile légère à décélérer : la voile se divise en une section extérieure et une section intérieure, la section extérieure est poussée vers l’avant et sa forme est modifiée mécaniquement pour concentrer le rayonnement réfléchi sur la partie intérieure, et le rayonnement concentré sur la section intérieure agit comme un frein.

Bien que la plupart des articles sur les voiles légères se concentrent sur les voyages interstellaires, il y a eu plusieurs propositions pour leur utilisation dans le système solaire.

À l’heure actuelle, le seul engin spatial à utiliser une voile solaire comme principale méthode de propulsion est IKAROS qui a été lancé par JAXA le 21 mai 2010. Il a depuis été déployé avec succès, et a montré qu’il produisait une accélération comme prévu. De nombreux engins spatiaux et satellites ordinaires utilisent également des capteurs solaires, des panneaux de contrôle de la température et des pare-soleil comme voiles légères, pour apporter des corrections mineures à leur attitude et à leur orbite sans utiliser de carburant. Quelques-uns ont même eu de petites voiles solaires spécialement conçues pour cet usage (par exemple les satellites de communication géostationnaires Eurostar E3000 construits par EADS Astrium).

CyclersEdit

Il est possible de mettre des stations ou des engins spatiaux sur des orbites qui effectuent des cycles entre différentes planètes, par exemple un cycler martien effectuerait des cycles synchronisés entre Mars et la Terre, avec très peu d’utilisation d’ergols pour maintenir la trajectoire. Les cyclers sont conceptuellement une bonne idée, car les boucliers massifs contre les radiations, les systèmes de survie et autres équipements ne doivent être placés qu’une seule fois sur la trajectoire du cycler. Un cycler pourrait combiner plusieurs rôles : habitat (par exemple, il pourrait tourner pour produire un effet de « gravité artificielle ») ; vaisseau-mère (fournissant un support de vie aux équipages des petits vaisseaux spatiaux qui s’y accrochent). Les cyclers pourraient aussi éventuellement faire d’excellents vaisseaux cargo pour le réapprovisionnement d’une colonie.

Alévateur spatialModifié

Un ascenseur spatial est une structure théorique qui permettrait de transporter des matériaux de la surface d’une planète vers l’orbite. L’idée est que, une fois que le travail coûteux de construction de l’ascenseur est terminé, un nombre indéfini de charges peut être transporté en orbite à un coût minimal. Même les conceptions les plus simples évitent le cercle vicieux des lancements de fusées depuis la surface, où le carburant nécessaire pour parcourir les derniers 10 % de la distance jusqu’à l’orbite doit être transporté depuis la surface, ce qui nécessite encore plus de carburant, et ainsi de suite. Des conceptions d’ascenseurs spatiaux plus sophistiquées réduisent le coût énergétique par voyage en utilisant des contrepoids, et les projets les plus ambitieux visent à équilibrer les charges qui montent et descendent et donc à rendre le coût énergétique proche de zéro. Les ascenseurs spatiaux ont également été parfois appelés « beanstalks », « ponts spatiaux », « ascenseurs spatiaux », « échelles spatiales » et « tours orbitales ».

Un ascenseur spatial terrestre est au-delà de notre technologie actuelle, bien qu’un ascenseur spatial lunaire pourrait théoriquement être construit en utilisant des matériaux existants.

SkyhookEdit

Un crochet céleste est une classe théorique de propulsion par longeur orbital destinée à soulever des charges utiles à des altitudes et des vitesses élevées. Les propositions de skyhooks comprennent des conceptions qui emploient des filins tournant à une vitesse hypersonique pour attraper des charges utiles à grande vitesse ou des avions à haute altitude et les placer en orbite. En outre, il a été suggéré que le crochet du ciel rotatif n’est « pas faisable sur le plan technique en utilisant les matériaux actuellement disponibles ».

Réutilisation du véhicule de lancement et de l’engin spatialModification

Le Starship de SpaceX, dont le lancement inaugural est prévu au plus tôt en 2020, est conçu pour être entièrement et rapidement réutilisable, en utilisant la technologie réutilisable de SpaceX qui a été développée entre 2011 et 2018 pour les lanceurs Falcon 9 et Falcon Heavy.

Le PDG de SpaceX, Elon Musk, estime que la seule capacité de réutilisation, tant sur le lanceur que sur les engins spatiaux associés au Starship, réduira les coûts globaux du système par tonne livrée à Mars d’au moins deux ordres de grandeur par rapport à ce que la NASA avait réalisé auparavant.

Staging propellantsEdit

Lors du lancement de sondes interplanétaires depuis la surface de la Terre, transportant toute l’énergie nécessaire à la mission de longue durée, les quantités de charge utile sont nécessairement extrêmement limitées, en raison des limitations de masse de base décrites théoriquement par l’équation de la fusée. Une alternative pour transporter plus de masse sur des trajectoires interplanétaires est d’utiliser la quasi-totalité des ergols de l’étage supérieur au lancement, puis de refaire le plein d’ergols en orbite terrestre avant d’envoyer la fusée à la vitesse de fuite pour une trajectoire héliocentrique. Ces ergols pourraient être stockés en orbite dans un dépôt d’ergols, ou transportés en orbite dans un pétrolier à ergols pour être directement transférés vers le vaisseau spatial interplanétaire. Pour le retour de la masse sur Terre, une option connexe consiste à extraire des matières premières d’un objet céleste du système solaire, à raffiner, à traiter et à stocker les produits de réaction (propergol) sur le corps du système solaire jusqu’à ce qu’un véhicule doive être chargé pour le lancement.

Transferts de ravitailleurs en orbiteModifié

En 2019, SpaceX développe un système dans lequel un véhicule de premier étage réutilisable transporterait un vaisseau spatial interplanétaire avec équipage en orbite terrestre, se détacherait, retournerait à son aire de lancement où un vaisseau spatial ravitailleur serait monté dessus, puis les deux seraient ravitaillés en carburant, puis relancés pour rejoindre le vaisseau spatial avec équipage en attente. Le ravitailleur transfère alors son carburant au vaisseau spatial habité pour l’utiliser lors de son voyage interplanétaire. Le SpaceX Starship est un vaisseau spatial à structure en acier inoxydable propulsé par six moteurs Raptor fonctionnant avec des ergols densifiés à base de méthane et d’oxygène. Il mesure 55 m de long, 9 m de diamètre à son point le plus large et peut transporter jusqu’à 100 tonnes de fret et de passagers par voyage vers Mars, avec une recharge d’ergols en orbite avant la partie interplanétaire du voyage.

Usine de propergol sur un corps célesteEdit

A titre d’exemple d’un projet financé actuellement en cours de développement, une partie clé du système que SpaceX a conçu pour Mars afin de réduire radicalement le coût des vols spatiaux vers des destinations interplanétaires est le placement et l’exploitation d’une usine physique sur Mars pour gérer la production et le stockage des composants de propergol nécessaires pour lancer et faire voler les Starships vers la Terre, ou peut-être pour augmenter la masse qui peut être transportée ensuite vers des destinations dans le système solaire extérieur.

Le premier vaisseau stellaire vers Mars transportera une petite usine de propergol comme partie de son chargement. L’usine sera agrandie au cours de plusieurs synodes au fur et à mesure que d’autres équipements arriveront, seront installés et placés dans une production essentiellement autonome.

L’usine de propulsion de SpaceX profitera des grandes réserves de dioxyde de carbone et des ressources en eau sur Mars, en extrayant l’eau (H2O) de la glace souterraine et en recueillant le CO2 de l’atmosphère. Une usine chimique traitera les matières premières au moyen de l’électrolyse et du procédé Sabatier pour produire de l’oxygène (O2) et du méthane (CH4), puis les liquéfiera pour faciliter le stockage à long terme et l’utilisation finale.

Utilisation des ressources extraterrestresModifier

Les véhicules spatiaux actuels tentent de se lancer avec tout leur carburant (propergols et fournitures d’énergie) à bord dont ils auront besoin pour tout leur voyage, et les structures spatiales actuelles sont soulevées depuis la surface de la Terre. Les sources non terrestres d’énergie et de matériaux sont pour la plupart beaucoup plus éloignées, mais la plupart ne nécessiteraient pas d’être soulevées hors d’un fort champ de gravité et devraient donc être beaucoup moins chères à utiliser dans l’espace à long terme.

La ressource non terrestre la plus importante est l’énergie, car elle peut être utilisée pour transformer des matériaux non terrestres en formes utiles (dont certaines peuvent également produire de l’énergie). Au moins deux sources d’énergie non terrestres fondamentales ont été proposées : la production d’énergie par le soleil (non gênée par les nuages), soit directement par des cellules solaires, soit indirectement en concentrant le rayonnement solaire sur des chaudières qui produisent de la vapeur pour entraîner des générateurs ; et les filins électrodynamiques qui produisent de l’électricité à partir des puissants champs magnétiques de certaines planètes (Jupiter a un champ magnétique très puissant).

La glace d’eau serait très utile et est répandue sur les lunes de Jupiter et de Saturne :

• La faible gravité de ces lunes en ferait une source d’eau moins coûteuse pour les stations spatiales et les bases planétaires que de la soulever depuis la surface de la Terre.
• Les sources d’énergie non terrestres pourraient être utilisées pour électrolyser la glace d’eau en oxygène et en hydrogène pour une utilisation dans les moteurs de fusée bipropulseurs.
• Les fusées thermiques nucléaires ou les fusées thermiques solaires pourraient l’utiliser comme masse de réaction. L’hydrogène a également été proposé pour être utilisé dans ces moteurs et fournirait une impulsion spécifique (poussée par kilogramme de masse de réaction) beaucoup plus importante, mais il a été affirmé que l’eau battra l’hydrogène en termes de coût/performance malgré son impulsion spécifique beaucoup plus faible de plusieurs ordres de grandeur.

L’oxygène est un constituant commun de la croûte lunaire, et est probablement abondant dans la plupart des autres corps du système solaire. L’oxygène extraterrestre ne serait précieux comme source de glace d’eau que si une source adéquate d’hydrogène peut être trouvée. Les utilisations possibles comprennent :

• Dans les systèmes de survie des vaisseaux spatiaux, des stations spatiales et des bases planétaires.
• Dans les moteurs de fusée. Même si l’autre propergol doit être transporté depuis la Terre, l’utilisation d’oxygène non terrestre pourrait réduire les coûts de lancement des propergols jusqu’à 2/3 pour le carburant hydrocarbure, ou 85% pour l’hydrogène. Les économies sont si élevées parce que l’oxygène représente la majorité de la masse dans la plupart des combinaisons de propergol de fusée.

Malheureusement, l’hydrogène, ainsi que d’autres volatiles comme le carbone et l’azote, sont beaucoup moins abondants que l’oxygène dans le système solaire interne.

Les scientifiques s’attendent à trouver une vaste gamme de composés organiques dans certaines des planètes, lunes et comètes du système solaire externe, et l’éventail des utilisations possibles est encore plus large. Par exemple, le méthane peut être utilisé comme carburant (brûlé avec de l’oxygène non terrestre), ou comme matière première pour des processus pétrochimiques tels que la fabrication de plastiques. Et l’ammoniac pourrait être une matière première précieuse pour la production d’engrais à utiliser dans les potagers des bases orbitales et planétaires, réduisant ainsi la nécessité de leur transporter de la nourriture depuis la Terre.

Même la roche non traitée peut être utile comme propulseur de fusée si des moteurs de masse sont employés.