La propulsion thermique nucléaire (NTP) est une technologie de propulsion alternative potentielle prometteuse pendant des décennies. Les roquettes chimiques ont commencé à atteindre leur efficacité maximale théorique, et leurs développeurs ont changé de concentration pour les rendre moins chers plutôt que plus efficaces. Le NTP devrait répondre à cela en offrant une forte poussée et une impulsion spécifique.
Le programme DRACO de la NASA, le porte-étendard des systèmes NTP, fournit une impulsion spécifique d'environ 900 secondes, environ le double d'une fusée chimique traditionnelle, mais la moitié de celle de la plupart des propulseurs d'ions.
Pour augmenter encore ce nombre, des chercheurs de l'Université de l'Alabama à Huntsville et de l'Ohio State University ont travaillé sur une nouvelle configuration de NTP appelée fusée thermique nucléaire centrifuge (CNTR) qui promet de presque doubler l'impulsion spécifique des systèmes NTP traditionnels tout en conservant des niveaux de poussée similaires.
Cependant, le système a des défis d'ingénierie à surmonter et un nouveau papier dans Astronautica Acta Décrit certains progrès progressifs dans la réalité de ce moteur amélioré.
La plus grande différence entre le CNTR et les projets NTP traditionnels est le fait que CNTR utilise l'uranium liquide pour le carburant, plutôt que le type solide.
Pour garder son liquide de carburant, un système CNTR doit le faire tourner rapidement dans une centrifugeuse. Une fois l'uranium fondu, le CNTR bubble l'hydrogène à travers lui et l'expulse à partir d'une buse pour une réaction de poussée.
Avec ce système, les chercheurs estiment qu'ils pourraient obtenir une impulsion spécifique d'environ 1500 secondes, presque le double de ce qu'un moteur NTP traditionnel aurait, tout en ayant seulement moins de poussée.
Cela semble être une amélioration significative, car l'utilisation de ces roquettes pourrait augmenter considérablement le « Delta-V » réalisable. Mais, comme pour tous les défis d'ingénierie importants, il y a une prise. Dix d'entre eux, en fait. Le document mentionne 10 défis d'ingénierie qui retiennent le développement du système, allant du développement d'un revêtement qui peut gérer l'uranium liquide et tous les différents types de propulseurs à des températures élevées pour traiter les vibrations transitoires du système.
Tout au long de leur travail sur l'article, qui est le quatrième d'une série décrivant le développement de ce moteur, les auteurs ont décidé de se concentrer sur quatre défis spécifiques, dont un qui pourrait avoir l'impact le plus significatif sur l'impulsion spécifique du moteur – la vaporisation de l'uranium.
Tout d'abord, ils ont abordé les neutroniques du système, ou comment les différents éléments créés par la réaction nucléaire ont un impact sur le fonctionnement du moteur. Dans cette itération, les chercheurs ont ajouté l'erbium-167 à leur modèle pour gérer la température à l'intérieur du système, ce qui le rend plus stable.
Cependant, ils ont également noté que le processus de fission nucléaire pourrait être « empoisonné » par le xénon et le samarium créés dans le cadre de celui-ci s'ils ne sont pas efficacement retirés du système. Ils continueront à développer des modèles et des simulations pour trouver le meilleur moyen d'éliminer ces éléments sans exacerber la possibilité de perdre plus d'uranium.
Les bulles sont le deuxième défi: les bulles d'hydrogène qui sont nécessaires pour surchauffer le carburant, puis l'éjecter sont difficiles à modéliser. Les chercheurs se sont tournés vers deux configurations expérimentales, « Ant Farm » (statique) et « Blender II » (rotation), pour essayer de comprendre comment les bulles d'hydrogène se déplacent à travers le carburant liquide.
Blender II comprend une radiographie pour examiner la dynamique des bulles dans les systèmes prototypes qu'ils ont développés qui utilisent Galinstan, un alliage de gallium, pour agir comme un équivalent d'uranium et l'azote pour agir comme l'hydrogène. Le cartographie des bulles reste mathématiquement un défi, cependant.
Un domaine où la modélisation était mieux compris était l'intégration du moteur. Les chercheurs ont utilisé un algorithme génétique pour maximiser la sortie du moteur compte tenu des différents paramètres, résultant en une impulsion spécifique dans des conditions idéales de 1 512 secondes. Cependant, il nécessiterait des centrifuges supplémentaires et des taux de rotation plus élevés que la conception d'origine.
Mais tous ces défis pâlent par rapport au grand – comment empêcher le carburant de l'uranium de fuir dans la buse. Si trop d'uranium (plutôt que de l'hydrogène) est perdu de poussée, il pourrait ralentir la réaction nucléaire, réduisant l'impulsion spécifique potentielle du moteur par les deux tiers.
Les auteurs estiment qu'ils peuvent utiliser une technique appelée diélectrophorèse (DEP) pour isoler les molécules d'uranium vaporisées et les rediriger dans les centrifuges, mais même avec un taux de récupération de 99%, il pourrait y avoir des impacts massifs sur la viabilité du moteur.
Comme pour tous les bons projets de recherche, plus de recherches sont nécessaires. Les chercheurs reconnaissent dans l'article que le CNTR n'est pas encore prêt pour un prototype complet et nécessitera encore plusieurs cycles de modélisation et d'optimisation avant qu'il ne soit prêt.
La perte d'uranium attirera une attention particulière avec la prochaine série de recherches, avec un test de banc prévu pour tester la solution DEP.
Alors que les chercheurs continuent de travailler dessus et que la nécessité de systèmes de propulsion à impulsion élevée / à haut niveau continue de croître, le CNTR sera, espérons-le, de maintenir le financement jusqu'à ce qu'il se concrétise enfin.
