Si vous cherchez à construire un puissant vaisseau spatial, rien de mieux que l'antimatière. L’Institut des concepts avancés de la NASA finance une équipe de chercheurs pour essayer de concevoir un vaisseau spatial propulsé par l’antimatière qui pourrait éviter certains de ces problèmes.
La plupart des vaisseaux spatiaux qui se respectent dans les histoires de science-fiction utilisent l'antimatière comme carburant pour une bonne raison - c'est le carburant le plus puissant connu. Alors que des tonnes de carburant chimique sont nécessaires pour propulser une mission humaine vers Mars, seules des dizaines de milligrammes d'antimatière suffiront (un milligramme représente environ un millième du poids d'un morceau du bonbon M&M d'origine).
Cependant, en réalité, ce pouvoir a un prix. Certaines réactions d'antimatière produisent des explosions de rayons gamma de haute énergie. Les rayons gamma sont comme les rayons X sur les stéroïdes. Ils pénètrent dans la matière et brisent les molécules dans les cellules, ils ne sont donc pas en bonne santé. Les rayons gamma à haute énergie peuvent également rendre les moteurs radioactifs en fragmentant les atomes du matériau du moteur.
L'Institut de la NASA pour les concepts avancés (NIAC) finance une équipe de chercheurs travaillant sur une nouvelle conception pour un vaisseau spatial propulsé par l'antimatière qui évite cet effet secondaire désagréable en produisant des rayons gamma avec une énergie beaucoup plus faible.
L'antimatière est parfois appelée l'image miroir de la matière normale, car même si elle ressemble à de la matière ordinaire, certaines propriétés sont inversées. Par exemple, les électrons normaux, les particules familières qui transportent le courant électrique dans tout, des téléphones portables aux téléviseurs plasma, ont une charge électrique négative. Les anti-électrons ont une charge positive, les scientifiques les ont donc surnommés «positrons».
Lorsque l'antimatière rencontre la matière, les deux s'annihilent en un éclair d'énergie. Cette conversion complète en énergie est ce qui rend l'antimatière si puissante. Même les réactions nucléaires qui alimentent les bombes atomiques arrivent en deuxième position, avec seulement environ 3% de leur masse convertie en énergie.
Les conceptions précédentes de vaisseaux spatiaux propulsés par l'antimatière utilisaient des antiprotons, qui produisent des rayons gamma de haute énergie lorsqu'ils s'annihilent. La nouvelle conception utilisera des positrons, qui produisent des rayons gamma avec environ 400 fois moins d'énergie.
La recherche du NIAC est une étude préliminaire pour voir si l'idée est réalisable. S'il semble prometteur et que des fonds sont disponibles pour développer avec succès la technologie, un vaisseau spatial propulsé par des positrons aurait quelques avantages par rapport aux plans existants pour une mission humaine sur Mars, appelée Mars Reference Mission.
"L'avantage le plus important est une plus grande sécurité", a déclaré le Dr Gerald Smith de Positronics Research, LLC, à Santa Fe, au Nouveau-Mexique. La mission de référence actuelle appelle à un réacteur nucléaire pour propulser le vaisseau spatial vers Mars. Ceci est souhaitable car la propulsion nucléaire réduit le temps de voyage vers Mars, augmentant la sécurité de l'équipage en réduisant son exposition aux rayons cosmiques. En outre, un vaisseau spatial à propulsion chimique pèse beaucoup plus et coûte beaucoup plus cher à lancer. Le réacteur fournit également une puissance suffisante pour la mission de trois ans. Mais les réacteurs nucléaires sont complexes, donc plus de choses pourraient potentiellement mal tourner pendant la mission. "Cependant, le réacteur à positrons offre les mêmes avantages mais est relativement simple", a déclaré Smith, chercheur principal pour l'étude NIAC.
De plus, les réacteurs nucléaires sont radioactifs même après épuisement de leur combustible. Après l'arrivée du navire sur Mars, la mission de référence prévoit de diriger le réacteur sur une orbite qui ne rencontrera pas la Terre pendant au moins un million d'années, lorsque le rayonnement résiduel sera réduit à des niveaux sûrs. Cependant, il n'y a pas de rayonnement résiduel dans un réacteur à positons après que le combustible est épuisé, donc il n'y a pas de problème de sécurité si le réacteur à positrons usé devait rentrer accidentellement dans l'atmosphère terrestre, selon l'équipe.
Le lancement sera également plus sûr. Si une fusée transportant un réacteur nucléaire explose, elle pourrait libérer des particules radioactives dans l'atmosphère. «Notre vaisseau spatial à positrons libérerait un éclair de rayons gamma s'il explosait, mais les rayons gamma disparaîtraient en un instant. Il n'y aurait pas de particules radioactives à dériver sur le vent. Le flash serait également limité à une zone relativement petite. La zone de danger serait d'environ un kilomètre (environ un demi-mille) autour de l'engin spatial. Une grande fusée à propulsion chimique ordinaire a une zone de danger d'environ la même taille, en raison de la grosse boule de feu qui résulterait de son explosion », a déclaré Smith.
Un autre avantage important est la vitesse. Le vaisseau spatial de la mission de référence emmènerait les astronautes sur Mars dans environ 180 jours. "Nos conceptions avancées, comme le noyau de gaz et les concepts de moteur ablatif, pourraient emmener les astronautes sur Mars en deux fois moins de temps, et peut-être même en 45 jours", a expliqué Kirby Meyer, ingénieur chez Positronics Research.
Les moteurs avancés le font en fonctionnant à chaud, ce qui augmente leur efficacité ou «impulsion spécifique» (Isp). Isp est le "miles par gallon" de fusée: plus Isp est élevé, plus vous pouvez aller vite avant d'utiliser votre carburant. Les meilleures fusées chimiques, comme le moteur principal de la navette spatiale de la NASA, atteignent un maximum d'environ 450 secondes, ce qui signifie qu'une livre de carburant produira une livre de poussée pendant 450 secondes. Un réacteur nucléaire ou à positons peut faire plus de 900 secondes. Le moteur ablatif, qui se vaporise lentement pour produire une poussée, pourrait atteindre 5 000 secondes.
Un défi technique pour faire d'un vaisseau spatial à positons une réalité est le coût de production des positons. En raison de son effet spectaculaire sur la matière normale, il n'y a pas beaucoup d'antimatière autour. Dans l'espace, il est créé lors de collisions de particules à grande vitesse appelées rayons cosmiques. Sur Terre, il doit être créé dans des accélérateurs de particules, d'immenses machines qui brisent les atomes ensemble. Les machines sont normalement utilisées pour découvrir comment l'univers fonctionne à un niveau profond et fondamental, mais elles peuvent être exploitées comme des usines d'antimatière.
"Une estimation approximative pour produire les 10 milligrammes de positrons nécessaires à une mission humaine sur Mars est d'environ 250 millions de dollars en utilisant une technologie en cours de développement", a déclaré Smith. Ce coût peut sembler élevé, mais il doit être considéré par rapport au coût supplémentaire pour lancer une fusée chimique plus lourde (les coûts de lancement actuels sont d'environ 10000 $ la livre) ou le coût du combustible et de la sécurité d'un réacteur nucléaire. "Sur la base de l'expérience acquise avec la technologie nucléaire, il semble raisonnable de s'attendre à une baisse des coûts de production de positrons avec davantage de recherches", a ajouté Smith.
Un autre défi consiste à stocker suffisamment de positrons dans un petit espace. Parce qu’ils anéantissent la matière normale, vous ne pouvez pas simplement les fourrer dans une bouteille. Au lieu de cela, ils doivent être confinés avec des champs électriques et magnétiques. «Nous sommes convaincus qu'avec un programme de recherche et développement dédié, ces défis peuvent être surmontés», a déclaré Smith.
Si tel est le cas, peut-être que les premiers humains à atteindre Mars arriveront dans des vaisseaux spatiaux propulsés par la même source qui a tiré des vaisseaux spatiaux à travers les univers de nos rêves de science-fiction.
Source d'origine: communiqué de presse de la NASA
