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Dans le roman de Poul Anderson de 1970 Tau Zéro, un équipage de vaisseau cherche à se rendre sur l’étoile Beta Virginis dans l’espoir de coloniser une nouvelle planète. Le mode de propulsion du navire était un soi-disant « statoréacteur Bussard », un moyen de propulsion réel (bien qu’hypothétique) qui avait été proposé par le physicien Robert W. Bussard une décennie plus tôt. Maintenant, les physiciens ont revisité ce mécanisme inhabituel pour le voyage interstellaire dans un nouvel article publié dans la revue Acta Astronautica, et hélas, ils ont trouvé que le statoréacteur manquait. C’est faisable d’un point de vue purement physique, mais les défis d’ingénierie associés sont actuellement insurmontables, ont conclu les auteurs.
Un statoréacteur est essentiellement un moteur à réaction qui « respire » de l’air. Le meilleur analogue pour le mécanisme fondamental est qu’il exploite le mouvement vers l’avant du moteur pour comprimer l’air entrant sans avoir besoin de compresseurs, ce qui rend les statoréacteurs plus légers et plus simples que leurs homologues à turboréacteurs. Un inventeur français nommé René Lorin a reçu un brevet en 1913 pour son concept de statoréacteur (alias, un tuyau de poêle volant), bien qu’il n’ait pas réussi à construire un prototype viable. Deux ans plus tard, Albert Fonó proposa une unité de propulsion à statoréacteur pour augmenter la portée des projectiles lancés par des canons et obtint finalement un brevet allemand en 1932.
Un statoréacteur de base a trois composants : une prise d’air, une chambre de combustion et une buse. Les gaz d’échappement chauds de la combustion du carburant s’écoulent à travers la buse. La pression de la combustion doit être supérieure à la pression à la sortie de la buse afin de maintenir un débit constant, ce qu’un statoréacteur atteint en « poussant » de l’air extérieur dans la chambre de combustion avec la vitesse d’avancement du véhicule propulsé par le moteur. Il n’est pas nécessaire de transporter de l’oxygène à bord. L’inconvénient est que les statoréacteurs ne peuvent produire de poussée que si le véhicule est déjà en mouvement, ils nécessitent donc un décollage assisté à l’aide de fusées. En tant que tels, les statoréacteurs sont les plus utiles comme moyen d’accélération, comme pour les missiles propulsés par statoréacteur ou pour augmenter la portée des obus d’artillerie.
Robert Bussard pensait que le concept pourrait être modifié comme moyen de propulsion interstellaire. La prémisse de base décrite dans son article de 1960 est de ramasser des protons interstellaires (hydrogène ionisé) en utilisant d’énormes champs magnétiques comme une « écope de bélier ». Les protons seraient comprimés jusqu’à ce qu’ils produisent une fusion thermonucléaire, et les champs magnétiques détourneraient ensuite cette énergie dans les gaz d’échappement de la fusée pour produire une poussée. Plus le navire voyageait vite, plus le flux de protons était élevé et plus la poussée était importante.
Mais ensuite, les scientifiques ont découvert qu’il y avait une densité d’hydrogène beaucoup plus faible dans les régions de l’espace en dehors de notre système solaire. C’est pourquoi, dans un article de 1969, John F. Fishback a proposé un champ magnétique fonctionnel possible, prenant en compte des facteurs tels que les pertes par rayonnement et la distribution thermique du gaz interstellaire.
En particulier, Fishback a calculé quelle serait la vitesse de coupure. « Plus le navire est rapide, plus les lignes de champ magnétique qui les concentrent dans le réacteur à fusion sont élevées », ont expliqué les auteurs de ce dernier article. « Un champ plus fort induit des contraintes mécaniques plus élevées. » Fishback a conclu qu’un statoréacteur interstellaire ne pouvait accélérer constamment que jusqu’à un certain seuil de vitesse, auquel point il devrait ralentir, de peur que la source magnétique n’atteigne un point de rupture.
C’est la solution de Fishback qui a été examinée dans ce dernier article. « L’idée vaut vraiment la peine d’être étudiée », a déclaré le co-auteur Peter Schattschneider, auteur de science-fiction et physicien à l’Université de technologie de Vienne (TU Wien). « Dans l’espace interstellaire, il y a du gaz très dilué, principalement de l’hydrogène, environ un atome par centimètre cube. Si vous deviez collecter l’hydrogène devant le vaisseau spatial, comme dans un entonnoir magnétique, à l’aide d’énormes champs magnétiques, vous pourriez utiliser pour faire fonctionner un réacteur à fusion et accélérer le vaisseau spatial. »
Lui et son co-auteur, Albert Jackson de Triton Systems aux États-Unis, se sont appuyés sur un logiciel développé à TU Wien pour calculer les champs électromagnétiques en microscopie électronique. Leurs calculs ont montré que la proposition de Fishback d’écopage magnétique (ou piégeage de particules) pour un statoréacteur Bussard est physiquement réalisable. Les particules peuvent en effet être collectées par un champ magnétique et guidées dans un réacteur à fusion, atteignant des accélérations jusqu’à des vitesses relativistes.
Cependant, les auteurs ont également découvert que des bobines magnétiques absurdement longues seraient nécessaires pour l’entonnoir afin d’atteindre une poussée de 10 millions de newtons (deux fois la propulsion de la navette spatiale). Et cet entonnoir devrait avoir un diamètre de 4 000 kilomètres. Par conséquent, visiter le centre galactique dans un vaisseau spatial propulsé par un statoréacteur Bussard au cours d’une vie est irréalisable. En fait, « il est très peu probable que même les civilisations Kardashev de type II puissent construire des statoréacteurs magnétiques avec des solénoïdes axiaux », ont conclu les auteurs. (Pour référence, les humains sur Terre n’ont pas encore atteint une civilisation de type I.)
DOI : Acta Astronautica, 2021. 10.1016/j.actaastro.2021.10.039 (À propos des DOI).