Ce moteur théorique pour les futurs vaisseaux spatiaux pourrait (presque) atteindre la vitesse de la lumière

La propulsion spatiale est l’un des grands enjeux de l’exploration : le coût et l’efficacité des engins dépendent des types de moteurs utilisés. Dernièrement, le patron de la Nasa vantait les mérites de la propulsion spatiale thermique, notamment pour la rapidité que cela implique (les voyages vers Mars ne prendraient que 3-4 mois). Dans un document PDF publié en août 2019, puis repéré et approfondi le 11 octobre 2019 par New Scientist, l’ingénieur de la Nasa David Burns propose un système de propulsion basé sur un accélérateur de particules.

Jusqu’à maintenant, tous les engins spatiaux fonctionnent selon le même principe : à partir de carburant, un moteur expulse du propergol dans un sens, ce qui lui permet d’aller dans l’autre. Dans ce que propose David Burns, ce principe d’action-réaction n’entre plus en ligne de compte. Il n’y aurait même pas besoin de carburant… Il nomme son concept « moteur hélicoïdal », c’est-à-dire un moteur en forme d’hélice qui serait tout bonnement un accélérateur de particules.

Photographie de l'accélérateur de particules du Cern, à Genève.

Source : Flickr/CC/CERN

« Ce moteur spatial pourrait être utilisé pour le maintien à long terme de stations satellites sans ravitaillement en carburant. Il pourrait également propulser des engins spatiaux sur des distances interstellaires, atteignant une vitesse proche de celle de la lumière », avance Burns dans le résumé de son document.

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99 % de la vitesse de la lumière

Dans le système de propulsion imaginé par l’ingénieur, des ions seraient confinés dans une boucle, soumis à une très forte accélération dans le vide, au sein d’un champ magnétique et électrique. En changeant la vitesse et ainsi que la masse des particules ioniques dans un va-et-vient, le vaisseau est poussé en avant.

Pour se représenter tout cela de manière simple, il faut imaginer une boîte vide, dans laquelle on retrouve une tige avec un anneau qui peut glisser dedans. Si on envoie une petite impulsion sur l’anneau, il va se déplacer dans la boîte, de l’arrière vers l’avant et vice versa. Or, selon la loi physique de conservation, l’anneau devrait garder toujours la même vitesse et la même masse que celle prise durant son élan. Cela ferait donc légèrement avancer et reculer la boîte, mais sans qu’elle se déplace, car la troisième loi de Newton relève que la réaction exerce la même force que l’action.

Les ions gagneraient en masse à chaque accélération

Par contre, si la masse de l’anneau devenait plus forte lorsqu’il se dirige vers l’avant, et qu’elle se réduisait lorsqu’il retourne vers l’arrière, alors la boîte elle-même avancerait, toujours plus rapidement. C’est là que l’accélérateur de particules interviendrait. Les ions (ou l’anneau) contenus dans une hélice seraient rapidement accélérés pendant un temps, puis décélérés ensuite.

Selon la relativité restreinte, tout objet gagne en masse en se rapprochant de la vitesse de la lumière, donc les ions gagneraient en masse à chaque accélération vers l’avant, ce qui générerait la poussée (puisqu’ils frapperont plus fort grâce à leur plus grande masse). « Le moteur lui-même pourrait atteindre 99 % de la vitesse de la lumière si vous avez assez de temps et d’énergie », explique Burns au New Scientist.

Un projet trop ambitieux ?

Le projet est tiré par les cheveux, mais il n’est pas absurde en soi : en situation de vide spatial, cela pourrait peut-être marcher. Sauf que des obstacles conséquents se posent pour un usage véritable, au-delà de l’expérience de pensée. Un premier problème est physique : même si le gain de masse lors de l’approche de la vitesse de la lumière est théoriquement envisagé par la relativité restreinte, une mise en application briserait la loi de conservation autant que la troisième loi de Newton.

L'absence de carburant pour la propulsion ouvrirait les portes de l'espace profond, mais c'est encore de la pure théorie.

Source : Pixabay

Qui plus est, le défi technique serait ambitieux, peut-être trop pour une construction sur Terre. D’après les calculs de New Scientist, l’engin devrait faire 200 mètres de long pour 12 mètres de diamètre. Il faudrait alors dans les 165 mégawatts pour générer seulement une poussée de 1 newton (cela produit 0,1 kg en masse au carré, par seconde… très peu pour émettre une poussée suffisante). Pour que le système fonctionne, et s’il peut fonctionner, il serait nécessaire de produire un taux d’énergie énorme au moins au début, l’équivalent de toute une ville, ou alors d’être très patient avec des petites poussées.

David Burns a pleinement conscience que son moteur hélicoïdal est à l’heure actuelle trop théorique et soumis à la critique. Le projet n’a pas été soumis à l’évaluation par les pairs et n’est pas financé par l’agence spatiale. Mais ce n’est pas un problème, à ses yeux, car pour faire avancer ce domaine, « vous devez êtes préparés à vous mettre dans l’embarras. C’est difficile d’inventer quelque chose de nouveau et qui fonctionne vraiment ».

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Le concept rejoint en partie l’EmDrive, ce fameux moteur qui, lui aussi, fonctionnerait sans carburant et seulement à base de microondes. Ce format théorique de moteur, soumis à de nombreux tests, a été très critiqué puisqu’il violerait également la troisième loi de Newton. L’idée de vaisseaux spatiaux fonctionnant sans carburant fait son petit bonhomme de chemin, tant ce serait une avancée majeure pour l’exploration spatiale, mais on est encore très loin des moteurs ultra-performants imaginés dans la science-fiction.