La National Aeronautics and Space Administration (NASA) a récemment annoncé qu'un nouveau moteur ionique expérimental Magneto-Plasma Power (MPD) alimenté au lithium a fonctionné avec succès lors d'un test clé et est considéré comme une avancée technologique de propulsion importante pour les futures missions habitées sur Mars.Les premiers astronautes sur Mars seront confrontés à un environnement extrêmement rude. Chaque jour supplémentaire dans l’espace lointain entraînera une exposition supplémentaire aux rayons cosmiques mortels. L’isolement à long terme érodera la santé mentale et la microgravité continuera d’affaiblir les muscles et les os. Pour cette raison, la NASA investit beaucoup d’énergie dans le développement de nouveaux systèmes de propulsion capables de réduire considérablement les temps de vol, dans l’espoir de réduire le voyage vers Mars en plusieurs mois dans un avenir proche.
Ce moteur ionique MPD récemment dévoilé utilise le lithium comme fluide de travail, avec une puissance maximale de 120 kilowatts et une capacité de poussée 25 fois supérieure à celle du moteur de propulsion électrique le plus puissant actuellement en service dans les missions de la NASA. Il est considéré comme une étape clé vers un vol dans l’espace lointain plus rapide et plus efficace. Le représentant actuel est la sonde Psyché, qui vole vers un astéroïde métallique. Il utilise un panneau solaire pour alimenter un moteur à ions xénon. Il peut accélérer progressivement jusqu'à environ 200 000 kilomètres par heure dans un environnement sans résistance atmosphérique, mais il lui faut plus de deux ans et demi pour atteindre cette vitesse.
Avec la technologie actuelle des fusées chimiques de la NASA, il faudrait environ sept mois pour voler de la Terre à Mars. En surface, la propulsion ionique, qui repose sur une faible poussée et une accélération soutenue sur de longues périodes, ne semble pas idéale pour raccourcir les temps de vol car elle démarre lentement et met des mois pour atteindre des vitesses extrêmement élevées. Cependant, la NASA tente de renverser cette impression traditionnelle en modifiant la combinaison de la source d'énergie et de la méthode de propulsion.
Contrairement à Mind, qui s'appuie sur des panneaux solaires pour piloter des moteurs à ions xénon, ce nouveau propulseur MPD est envisagé comme faisant partie d'un système de propulsion électrique nucléaire qui fournira de l'énergie électrique de haute puissance à partir d'un réacteur nucléaire, permettant au vaisseau spatial de maintenir des niveaux de poussée beaucoup plus élevés que la propulsion électrique existante pendant de longues périodes dans l'espace lointain. La NASA estime que cette combinaison « énergie nucléaire + MPD » devrait augmenter considérablement la vitesse à masse propulsive égale ou inférieure, raccourcissant ainsi le voyage de la mission habitée sur Mars.
Le concept de propulsion MPD remonte aux années 1960, mais n’a pas encore été commercialisé dans l’espace, le principal obstacle étant ses énormes besoins en énergie, qui dépassent de loin les capacités énergétiques des panneaux solaires. Ceci est technologiquement complémentaire au projet de propulsion nucléaire « Space Reactor-1 Freedom » récemment annoncé par la NASA : ce projet prévoit d’utiliser un moteur ionique traditionnel avec un fluide de travail au xénon dans une autre mission, et MPD représente la prochaine étape vers une puissance et une poussée plus élevées.
Les moteurs ioniques traditionnels s'appuient généralement sur des champs électrostatiques pour accélérer des particules chargées uniques (principalement des ions xénon) et les décharger de la buse pour obtenir une force de réaction. Le moteur MPD interagit avec un courant élevé et un champ magnétique pour accélérer électromagnétiquement le plasma. Ce modèle utilise spécifiquement de la vapeur de lithium métallique, qui est ionisée en plasma de lithium à l'intérieur du moteur, puis éjectée pour obtenir une poussée.
Le 24 février de cette année, la NASA a effectué un test d'allumage critique sur ce moteur MPD en utilisant une chambre à vide spéciale équipée d'un système de refroidissement par eau dans le laboratoire de propulsion électrique du Jet Propulsion Laboratory (JPL) en Californie du Sud. Au cours du test, les ingénieurs ont allumé le moteur cinq fois, surveillant son électrode centrale en tungstène alors qu'elle brillait vivement à des températures supérieures à 2 800 degrés Celsius (environ 5 000 degrés Fahrenheit). Les données montrent que ce nouveau moteur a atteint avec succès un niveau de puissance maximale de 120 kilowatts lors des tests, soit plus de 25 fois le propulseur électrique utilisé par le « Psychic ».
L'administrateur de la NASA, Jared Isaacman, a déclaré dans un communiqué que l'agence n'avait jamais « perdu de vue Mars » tout en avançant plusieurs missions en parallèle. Il a souligné que le succès de ce test constitue une « étape substantielle » vers l'envoi d'astronautes américains sur Mars. C'est également la première fois que les États-Unis autorisent le système de propulsion électrique à fonctionner en continu à une puissance élevée de 120 kilowatts. La NASA continuera à réaliser des « investissements stratégiques » pour établir une base technologique solide pour le prochain grand pas de l’humanité.
La NASA estime que ce moteur MPD devrait atteindre le niveau de puissance de 1 MW lors des prochains tests. Selon les estimations internes de l'agence, une mission habitée typique vers Mars peut nécessiter une puissance totale de 2 à 4 mégawatts, ce qui signifie que le vaisseau spatial final sera probablement équipé de plusieurs moteurs MPD fonctionnant en parallèle. Dans ce processus, comment garantir un fonctionnement fiable à long terme du matériel dans des environnements à très haute température et atténuer l'érosion des électrodes, un problème typique de la technologie MPD, seront des défis clés que l'équipe d'ingénierie devra surmonter.
À l'heure actuelle, après deux ans de conception et de construction, l'équipe R&D est satisfaite des résultats de la première série de tests et estime avoir franchi le premier « grand seuil » sur la voie de l'ingénierie. James Polk, chercheur scientifique principal au Jet Propulsion Laboratory, a déclaré que le test a non seulement prouvé que le moteur peut fonctionner normalement, mais a également atteint avec succès l'objectif de puissance prédéterminé et a jeté une base de plate-forme de test fiable pour les tests ultérieurs à grande échelle.
D'un point de vue plus large, l'avantage de la technologie de propulsion électrique réside dans son efficacité d'utilisation du propulseur extrêmement élevée, qui peut réduire la consommation de propulseur d'environ 90 % par rapport aux fusées chimiques traditionnelles. La combinaison de la propulsion MPD de haute puissance avec l’énergie nucléaire pourrait théoriquement fournir aux véhicules spatiaux lointains une poussée moyenne plus élevée et des temps de vol plus courts sans augmenter significativement la masse globale. Cela pourrait devenir l'une des technologies clés pour le premier voyage habité de l'humanité vers Mars, permettant aux astronautes de gagner un temps précieux pour réduire les risques pour la santé causés par les radiations et l'apesanteur à long terme.
La NASA n'a pas encore annoncé de calendrier pour la propulsion MPD dans des missions habitées spécifiques, mais cet essai au sol de haute puissance est considéré comme une étape importante dans "un pas de plus vers Mars". Dans le contexte où de nombreux pays sont en compétition pour planifier des projets habités sur Mars, si cette nouvelle technologie parvient à sortir du laboratoire et à entrer dans des missions réelles, elle devrait changer l’échelle de temps de l’exploration humaine de l’espace lointain.