Les batteries peuvent-elles remplacer le carburant des fusées ?

Il y a eu un réveil dans les voyages spatiaux. Outre un nombre croissant de lancements récents de satellites SpaceX, ainsi que des voyages vers la Station spatiale internationale (ISS), un test de nouveaux systèmes d’atterrissage via le New Shepard, et bientôt, le premier lancement de tourisme spatial de Virgin Galactic.

Pour l’instant, le nombre de lancements spatiaux ces dernières années a été d’environ 80 à 90 par an, un nombre relativement faible. Statista indique qu’il y a eu 95 lancements de fusées spatiales en 2019. Mais ces chiffres augmenteront probablement avec la commercialisation de l’espace et en préparation des prochaines missions Artemis des États-Unis sur la Lune et éventuellement sur Mars.

Certains commencent à se demander ce que tous ces lancements font à l’environnement. À ce jour, l’impact semble faible, surtout en comparaison des voyages avioniques et d’autres sources de pollution de l’air. Mais une étude de l’Aerospace Corporation sur les émissions des fusées publiée il y a quelques années suggère des raisons d’être prudent quant à l’avenir. L’étude soutient qu’à mesure que les lancements augmentent, les décideurs commenceront à se demander quels dommages sont causés par l’augmentation des lancements spatiaux et si des réglementations pourraient être nécessaires.

Il existe des technologies émergentes qui pourraient servir d’autres sources d’énergie ou fournir un moyen différent d’entrer dans l’espace. Les sources d’énergie renouvelables à usage industriel et commercial, ainsi que l’électrification du monde de l’automobile et des transports, pourraient donner des résultats prometteurs pour les futurs lancements spatiaux. Mais est-il vraiment possible de briser l’attraction gravitationnelle de la Terre sans la force explosive du carburant de fusée à base chimique ? Quelle est la quantité d’énergie nécessaire pour amener une fusée sur une trajectoire en orbite terrestre basse (LEO) ?

Selon un article sur Quora, la quantité d’énergie nécessaire pour lancer une fusée dans l’espace varie de 5,4 mégajoules à environ 333 mégajoules d’énergie, juste pour entrer dans ce plan d’orbite. Et cela exclut l’énergie perdue par la résistance de l’air et la chaleur. La technologie moderne des batteries pourrait-elle atteindre cette quantité d’énergie pour potentiellement propulser une fusée dans l’espace ?

La réponse est oui. Mais ce raisonnement est un piège, un piège qui viole la troisième loi du mouvement de Newton : «Pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. Le problème n’est pas celui de l’énergie mais plutôt celui des différences entre l’atmosphère et le vide de l’espace. Alors que les batteries sont certainement utilisées pour alimenter les fusées une fois dans l’espace, elles ne peuvent pas propulser les fusées de la Terre dans l’espace. Voici pourquoi.

La troisième loi de Newton stipule que chaque action – comme propulser une fusée dans l’espace – nécessite une réaction égale et opposée. Dans les fusées chimiques traditionnelles, le carburant est brûlé pour créer la propulsion. Le résultat est que la fusée se déplace dans la direction opposée, dans l’espace. Mais pour satisfaire la réaction égale et opposée en utilisant une batterie comme source d’énergie, il faudrait expulser la masse de l’arrière de la fusée.

Elon Musk a répondu à cette question il y a des années dans son fil Twitter :

Elon Musk, Twitter

Elon Musk de SpaceX sur les lancements de fusées électriques.

Bien sûr, rien n’empêche une batterie d’être la source d’énergie pour alimenter les hélices ou un jet pour faire voler un vaisseau spatial en orbite terrestre basse (LEO). Cette approche est utilisée par Virgin Galactic, qui a récemment terminé son deuxième vol d’essai SpaceShipTwo Unity Spaceport America au Nouveau-Mexique avec deux pilotes à bord. SpaceShipTwo Unity à propulsion chimique a été libéré de l’avion VMS Eve à une altitude de 51 000 pieds – juste au-delà du bord de l’espace. Le vaisseau spatial a effectué plusieurs points de test avant de retourner atterrir à Spaceport America. (Source de l’image : vaisseau spatial Virgin Galactic)

Vaisseau spatial vierge galactique

Vaisseau spatial vierge galactique

Sinon, comment un vaisseau spatial pourrait-il être propulsé dans l’espace? Bien que la technologie des ballons ne soit pas pratique pour lancer des engins spatiaux massifs et porteurs d’équipage dans l’espace, ils sont utilisés pour lancer des satellites de type CubeSat, petits et beaucoup plus légers.

Léo Aérospatial, Twitter

Lanceur de fusée à ballons.

Par exemple, Leo Aerospace, une startup basée à Los Angeles, développait un système pour propulser un vaisseau spatial à l’aide d’une fusée larguée d’une montgolfière géante à environ 60 000 pieds (18 000 mètres) au-dessus de la surface de la Terre. Selon le compte Twitter de la startup, la plate-forme expérimentale Regulus fournirait une plate-forme unique en son genre pour la démonstration technologique, les tests de chute et la recherche en haute altitude. Ses conteneurs de charge utile de mission modulaires pouvaient supporter jusqu’à 3 500 kg. Malheureusement, l’entreprise a suspendu ses activités en raison de pénuries de financement en mars 2020. Mais cela ne signifie pas que la technologie n’était pas viable, seuls les aspects économiques étaient en cause.

Et un ascenseur spatial ? Cette idée est basée sur un câble ou une attache ancrée à la Terre et étendue dans l’espace – aucune fusée requise. Mais le champ de gravité de la Terre est si grand que les matériaux actuels ne sont pas assez solides pour résister aux forces gravitationnelles et à l’attraction centrifuge vers l’extérieur. Pour cette raison, des nanotubes de carbone longs, extensibles et super résistants ont été suggérés comme composant pour fabriquer un véritable ascenseur spatial.

Encore une fois, Elon Musk a commenté cette idée, déclarant sur Twitter qu’il pourrait envisager un ascenseur spatial une fois, « quelqu’un construit une structure de nanotubes de carbone plus longue qu’une passerelle ».

La réponse pourrait être de commencer par un ascenseur spatial basé sur la lune comme précurseur de celui construit sur Terre. Le plan de la NASA pour retourner sur la Lune ajoute de la crédibilité à cette approche.

Pour l’instant, le problème de la pollution par les lancements spatiaux est minime. L’impact environnemental le plus important pourrait bien être le coût du lancement et la consommation de ressources précieuses. Une grande partie du coût d’un lancement de fusée réside dans la construction et les matériaux de la fusée. Grâce aux innovations de récupération et d’atterrissage de SpaceX, Blue Origin et d’autres, les fusées deviennent rapidement un produit renouvelable. Par exemple, à ce jour, SpaceX a fait atterrir des propulseurs de fusée 58 fois et a réutilisé des propulseurs pour 40 missions.

Parfois, le meilleur moyen de sauver la planète est de réutiliser ce qui existe déjà.

Fusée SpaceX

Débarquement de la fusée Falcon 9 de la mission avec équipage Demo-2 de SpaceX.