Propulsion spatiale (1): la fusion à confinement inertiel

[Sol-0]

Bonjour à tous

En faisant quelques recherches sur de nouvelles idées de propulsion spatiale sur le net je suis tombé sur diverses explications sur la technique la plus abordable de propulsion par fusion nucléaire: la fusion par confinement inertiel.

D'après ce que j'en ai compris, donc bien entendu on utilise le phénomène de réaction de fusion nucléaire pour éjecter le produit de la réaction, mais pour créer cette fusion, on utilise un carburant à base de "pastilles (??)" constituées de (.....????.....)...

On vaporise la coquille de cette pastille à l'aide d'un système de lasers ou de rayons à particule de (??)... dont l'effet recherché est de recréer les conditions de fusion naturelle que l'on retrouve dans une étoile, à savoir des pressions et des températures extrêmes (millions de degrés K; centaines de milliards de kPa).

Sous l'effet de l'impulsion combinée des lasers, la coquille de la pastille se vaporise et son contenu devient un plasma qui va se comprimer favorisant ainsi la fusion des particules qui la compose.
Si je ne dis pas de bêtises, la fusion nucléaire nécessite l'union d'un noyau de deutérium (1 proton; 1 neutron) avec un noyau de tritium (1 proton; 2 neutrons) pour former un noyau d'hélium (2 protons; 2 neutrons) et éjecter le neutron qui est en trop. Cette réaction produit une énergie gigantesque (l'énergie c'est un "truc" qui tend à transformer le mouvement de la matière (lui donner de la vitesse, la stopper, la faire tourner etc)) qui précipite produits de la réaction et restes, ce qui aura pour effet de donner la poussée au moteur.

J'ai du mal à comprendre cette pastille, de quoi elle est composée, comment elle est transmise puis positionnée de telle sorte que les lasers puissent la vaporiser...

Peut-on en discuter svp?


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[Gilgamesh]

On utilise des microcapsule de verre ou de polymères plastique rempli du mélange cryogéniques fusible DT (~ 10 mg) . Le polymère lui même peut être "tritié' (on remplace d'hydrogène par son isotope dans le squelette organique). La capsule peut être enclose dans un cylindre d'or qui lors du tir va se vaporiser en produisant un fort rayonnement X comprimant uniformément la cible.

Pour l'instant on utilise principalement des lasers optiques exclusivement mais il existe également des expériences utilisant des faisceaux ioniques (lourds ou légers).

Il existe par ailleurs des concepts de fusion catalysée par des faisceaux de muons. En remplaçant les électrons de la matière par des muons 200 fois plus massif, on crée une matière "muoniques" transitoire (2 µs) dans laquelle les noyaux sont bien plus proche les uns des autres. A température égale, le taux de réaction est x 1000.

Pour positionner la capsule, pour l'instant il faut un porte-objet qu'il faut remplacer à chaque tir ce qui limite la fréquence des tirs à environ 20 par jour.

Pour passer à des dizaines ou centaines par seconde, il faudra s'en passer et synchroniser précisément la trajectoire de la microcapsule et le tir.

a+

[Sol-0]

Le polymère lui même peut être "tritié' (on remplace d'hydrogène par son isotope dans le squelette organique)

Si j'ai bien compris le polymère après avoir été vaporisé sert de tritium, il peut se lier au deutérium lors de la fusion?

Pour l'instant on utilise principalement des lasers optiques exclusivement mais il existe également des expériences utilisant des faisceaux ioniques (lourds ou légers)

Si je comprends bien, c'est la collision entre les faisceaux concentrés des lasers avec le matériau de la capsule qui contractent celle-ci et son contenu?

Comment sont disposés les lasers? Selon un polyèdre parfaitement régulier je suppose. Et chaque faisceau doit faire au moins le diamètre de la capsule afin que toutes ses particules puissent entrer en collision avec les particules des faisceaux afin d'être projetés vers le centre de la capsule?

Il existe par ailleurs des concepts de fusion catalysée par des faisceaux de muons. En remplaçant les électrons de la matière par des muons 200 fois plus massif, on crée une matière "muoniques" transitoire (2 µs) dans laquelle les noyaux sont bien plus proche les uns des autres. A température égale, le taux de réaction est x 1000.

...... Ça ne me parle pas ça, je ne sais même pas ce que c'est qu'un muon...

Pour positionner la capsule, pour l'instant il faut un porte-objet qu'il faut remplacer à chaque tir ce qui limite la fréquence des tirs à environ 20 par jour.

Ça m'a l'air un peu tiré par les cheveux tout ça , n'y a t-il pas moyen que le matériau de la capsule soit ionisé afin d'être manipulé par des champs magnétiques.

[Carcharodon]

Ça m'a l'air un peu tiré par les cheveux tout ça , n'y a t-il pas moyen que le matériau de la capsule soit ionisé afin d'être manipulé par des champs magnétiques.

tu sais, regardes, Sol-O l'histoire du moteur a combustion :
au départ c'est quelques tours minutes, les F1 en sont a presque 20.000 tours minutes.

Comme tu dis, ça ressemble encore a la physique de grand papa, mais ils sont doués les bougres.

Je ne connaissais pas cette fusion a confinement inertiel, je trouve que ça promet ! ... pour quand je serais mort, certes, mais ça promet

de toute façon, tant qu'on ne remplacera pas l'energie chimique actuelle par quelque chose de considérablement plus productif, l'industrie spatiale ne fera que des avancées épisodiques.
On en est aujourd'hui presque au même point qu'au temps de Youri Gagarine.
A peine capable de faire mieux suite a une optimisation lente et surtout a l'apparition de l'informatique qui fait gagner de la masse et de la précision (donc aussi du coco).

J'espère que vous nous tiendrez au courant de l'évolution de ce procédé, même si j'imagine bien que ça va prendre un certain temps, pour ne pas dire un temps certain, avant qu'une solution viable n'apparaissent pour le transport spatial.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gilgamesh]

Si j'ai bien compris le polymère après avoir été vaporisé sert de tritium, il peut se lier au deutérium lors de la fusion?

Oui, en tout cas y'a un brevet pour ça.

Si je comprends bien, c'est la collision entre les faisceaux concentrés des lasers avec le matériau de la capsule qui contractent celle-ci et son contenu?

Comment sont disposés les lasers? Selon un polyèdre parfaitement régulier je suppose. Et chaque faisceau doit faire au moins le diamètre de la capsule afin que toutes ses particules puissent entrer en collision avec les particules des faisceaux afin d'être projetés vers le centre de la capsule?

Y'a une aspect géométrique qui est effectivement très important puisqu'il faut assurer un collapse sphérique du plasma.

Mais ce n'est pas directement la pression de radiation qui agit : le rayonnement transforme la capsule en plasma qui rentre en expansion. Par réaction, le coeur collapse.

...... Ça ne me parle pas ça, je ne sais même pas ce que c'est qu'un muon...

Un genre d'électron lourd (même charge, 200 fois plus massif et "raisonnablement stable" ~ qq microseconde, ce qui est suffisant pour le faire réagir avec une cible). Bon, c'est un concept assez avancé.

Ça m'a l'air un peu tiré par les cheveux tout ça , n'y a t-il pas moyen que le matériau de la capsule soit ionisé afin d'être manipulé par des champs magnétiques.

Oh, c'est en principe relativement simple. Tu fait tomber une capsule dans le vide depuis le "plafond" du réacteur et tu synchronises tes lasers pour tirer la capsule en plein vol.

a+

[Carcharodon]

Oh, c'est en principe relativement simple. Tu fait tomber une capsule dans le vide depuis le "plafond" du réacteur et tu synchronises tes lasers pour tirer la capsule en plein vol.

a+

ouais, donc faut quand même une source d'energie importante a coté pour assurer le guidage magnétique de la cible et donner l'energie au laser.

si je comprends bien, a terme, il y aurait un accelerateur magnétique destiné a guider la cible jusqu'au point auquel elle sera mise a feu par un laser a impulsion brêve.
Le tout a très haute cadence.
Ca demande donc une mini usine nucléaire pour faire fonctionner le tout, non ?

Marrant cette propulsion a impulsion !
très ingénieux.
Rien qu'en lisant le procédé on sent que ça a de l'avenir.
peut-etre pas pour tout de suite non plus ...

De toute façon on a pas le choix, pour accéder correctement a l'espace, il faut s'affranchir du chimique.
Sinon on ne satellise que quelques dizaines de tonnes a la fois et c'est véritablement hors de prix (prix du coco mais aussi de l'énorme reservoir, de la conception de tout ça des isnstallations au sol etc etc etc)
Tant qu'on restera au chimique, on ne fera que des accès très ciblés et ponctuels a l'espace.

[Gilgamesh]

ouais, donc faut quand même une source d'energie importante a coté pour assurer le guidage magnétique de la cible et donner l'energie au laser.

si je comprends bien, a terme, il y aurait un accelerateur magnétique destiné a guider la cible jusqu'au point auquel elle sera mise a feu par un laser a impulsion brêve.
Le tout a très haute cadence.
Ca demande donc une mini usine nucléaire pour faire fonctionner le tout, non ?

Marrant cette propulsion a impulsion !
très ingénieux.
Rien qu'en lisant le procédé on sent que ça a de l'avenir.
peut-etre pas pour tout de suite non plus ...

De toute façon on a pas le choix, pour accéder correctement a l'espace, il faut s'affranchir du chimique.
Sinon on ne satellise que quelques dizaines de tonnes a la fois et c'est véritablement hors de prix (prix du coco mais aussi de l'énorme reservoir, de la conception de tout ça des isnstallations au sol etc etc etc)
Tant qu'on restera au chimique, on ne fera que des accès très ciblés et ponctuels a l'espace.

Il n'y pas besoin de guider la cible magnétiquement a priori...

Pour l'accès à l'orbite basse, il est peu probable qu'on utilise ce genre de propulsion car l'impulsion spécifique est très élevée (x pls milliers par rapport au chimique) mais la poussée reste faible car peu de matière est éjectée. En dehors du chimique, il y a le nucléothermique type NERVA (le fluide propulsif est chauffé dans un réacteur nucléaire à fission et éjecté) mais ça reste difficile à envisager pour des raisons de sécurités. Il reste le moteur plasmique VASIMR à impulsion spécifique variable. Le plasma est éjecté électriquement avec un couple poussée/Isp réglable, et il peut produire une poussée importante. C'est sans doute ce qu'il y a de plus prometteur sur l'étagère. Le rapport poids/poussé peut être fortement amélioré mais quitter la Terre demande de "gros réservoirs" en toutes hypothèses.


a+

[Carcharodon]

mais quitter la Terre demande de "gros réservoirs" en toutes hypothèses.
a+

J'en suis très conscient, faut prendre 7.5km/s de plus qu'au sol, mais c'est un domaine qui nous apportera très certainement d'énormes surprise.

Si on arrive jusque là, un moteur a anti matière représentera un jour un compromis masse satellisée / coco bien plus favorable qu'aujourd'hui.

tu vas me taper sur les doigts en disant "houllaa un moteur a anti-matière".
je parle pas de ça tout de suite, mais si on suit la logique energétique, y a pas mieux.
Et comme on sait faire déjà de l'antimaière, celle ci n'est pas de la science fiction.

la science fiction c'est la production de masse et le confinement
PUIS
l'exploitation : ton exemple a impulsion pourrait être très adapté

ejection dAM en plasma confiné jusqu'a percution avec plasma de matière a un endroit précis.
La, y a même plus besoin du laser (juste d'un tokamak MDR !!)
Et bonjour le rendement.

Avec plusieurs type de ce propulseur, miniaturisé et cote a cote, ça pourrait donner un jour quelque chose de très interessant.
Faudra une belle mecanique derrière, mais ça c't a notre portée a terme.

le plus dur a envisager, c'est la production et le confinement long (pendant lontemps, pas seulement quelques heures) d'AM au final

Des processus industriels qui ne me semblent pas en dehors de notre portée... a un certain terme, c'est vrai ... mais ça va des fois tellement vite.
Enfin bon, c'est pas pour nous c'est sûr.

[Carcharodon]

le VASIMR

belle bête !
vraiment prometteur a moyen et long terme, par sa marge de progression potentielle.

merci du tuyau
ba ça chôme pas dans le secteur !

[Sol-0]

Salut tt le monde...

Justement je comptais discuter sur d'autres fil du VASIMR qui me semble à moi aussi le moteur le plus prometteur du moment, bien qu'il y a peut être encore mieux: "la propulsion par fragment de fission" qui peut avoir une Isp de 1 000 000 s (hou!)(!) mais qui semble délicate à mettre en œuvre vu que c'est une motorisation qui peut laisser des déchets radioactifs.

Pour ma part Carcharodon, je trouve les motorisations à antimatière décevantes. Moi aussi je pensait que c'était l'énergie la plus prometteuse: l'antimatière produit la plus forte énergie, mais pour des motorisations à réaction (cad qui utilise le phénomène d'action/réaction en éjectant de la matière pour se propulser) on est obligé d'utiliser un matériau propulsif. On mélange très grossièrement l'antimatière avec le fluide propulsif où qques particules vont produire de l'énergie en s'annihilant et en évacuant par la même occasion la matière qui se trouve au voisinage de la réaction. Vu les descriptions que l'on trouve sur le net: le "réacteur à positrons" ne possède qu'une décevante Isp de 900 s (par rapport au moteur Vulcain d'Ariane V : env 500 s), et le "moteur ablatif à positrons" une Isp plus généreuse de 5000 s.

En fait les meilleures motorisations sont celles qui peuvent jouer à la fois sur la vitesse, et la quantité de particules éjectées en sortie de tuyère, comme les moteurs électriques ou nucléo-électriques. Mais avec ça on atteint très vite une limite d'efficacité qui cantonne l'utilisation des moteurs à réaction que dans un système planétaire et pas plus.
C'est déjà beaucoup, me direz-vous mais ça nous met hors de portée des étoiles.

Pour en revenir à la fusion par confinement inertiel, Gilgamesh, au décollage et en phase d'accélération du vaisseau il sera impossible aux lasers de viser et de toucher la pastille correctement, je reste un peut quand même sur mes positions, il faudrait ioniser la pastille et la contrôler avec des champs magnétiques non?...

à+

[Gilgamesh]

Pour en revenir à la fusion par confinement inertiel, Gilgamesh, au décollage et en phase d'accélération du vaisseau il sera impossible aux lasers de viser et de toucher la pastille correctement, je reste un peut quand même sur mes positions, il faudrait ioniser la pastille et la contrôler avec des champs magnétiques non?...

Au décollage il n'est pas question d'utiliser ce genre de moteur.

Et en phase d'accélération (ce qui est le cas par définition si tu te sers d'un moteur !) ça ne pose aucun pb particulier de calculer la trajectoire balistique d'une petite sphère, en ajustant éventuellement le tir avec un dispositif de suivi optique.

a+

[Carcharodon]

Au decollage (enfin ... juste après, plutôt), la solution d'avenir, a moyen terme, ça devrait être le stato reacteur.

Parmi toutes les technologies qui ont été passées ici en revue, seule le stato-reacteur peut se permettre de revendiquer une poussée suffisante, capable de fournir l'energie necessaire a la pré-satellisation, tout en permettant un gain très significatif sur les masses embarquées par rapport a aujourd'hui.

Ce moteur oblige a modifier la technique de tir, ce qui ne présente cependant aucun obstacle technique a ce sujet.
Le défi technique reside surtout dans le fait d'integrer ces stato reacteurs a un éventuel 2ème étage, et de les rendre, de préférence, reutilisables.

Le boost initial, les quelques dizaines de secondes de début de lancement, necessitent une puissance considérable.
Par une seule des propositions présentée sur ce forum ne permet d'envisager de les utiliser pour procéder au decollage.

Ce decollage a encore un besoin incontournable de moteur chimiques très puissant et très gros consommateurs, pendant les ~ 100 a 120 premières secondes de vol.

C'est seulement après que les technologies proposées ici pourraient alors s'exprimer, certaines bien avant d'autres, certaines ne pouvant s'exprimer qu'après la mise définitive en orbite (moteur a très grande ISP mais misérable poussée).

Le stato a sa place entre les deux, a la sortie de l'utilisation des boosters chimiques, pour accelerer l'engin sur les 3/4 de la vitesse nécessaire a la vitesse terminale de satellisation.
A la seule condition de lui offrir une trajectoire adéquate, ce qui est tout a fait possible, sans le moindre obstacle technique.

Après, il reste aussi a développer un engin pourvu d'un premier étage largable a booster et d'une second étage ayant les capacité de surfer sur les hautes couches équipé d'un stato ... peut être largable lui aussi ... il reste en fait beaucoup de questions en suspend.

Mais il y a une chose certaine : on est aujourd'hui tout a fait capable d'entreprendre un tel système.
Et il ne m'étonnerait pas outre mesure que le premier qui passe au Stato prennent aussi un avantage économique rapide sur ses concurrents.

Je pense que le stato sera une technologie incontournable dans l'histoire du progrès de l'accès l'espace.

N'hésitez pas a jeter un oeil sur les vidéos d'orbiter que j'ai faites =>
http://forums.futura-sciences.com/as...ml#post1948474

même si les ISP des moteurs de l'engin sont très irréalistes (il devrait emmener quand même plusieurs fois sa masse en propergol), l'idée est très bonne.

l'air de rien, ne pas avoir a emporter le comburant pour atteindre Mach 19 revient a économiser les 2/3 du propergol !
2/3 de moins de masse de propergol, c'est simplement considérable, comme si Ariane, au lieu d'employer 70kg de propergol pour mettre un seul kg de charge utile en orbite basse ... n'avait besoin que de 25kg de ce même propergol !
Ce qui allège immédiatement l'engin de façon considérable, DONC, lui permet d'envoyer des charges utiles ... (presque) 3 fois plus lourdes avec la même masse de propergol !!
Ça c'est une vraie technologie d'avenir a developper, non ?
Surtout que techniquement ... c'est simple comme tout !
Surtout comparé aux autres technologies que vous mentionnez.

Les USA ont commencé un peu ... et depuis quelques temps se fait sentir le besoin d'avoir une unité d'intervention capable d'arriver en moins de 2 heures partout dans le monde en partant des USA (idée de fau (ou plutôt vrai) con républicains, bien-sûr...

Le stato-reacteur en surfant sur les couches hautes de l'atmosphère est évidemment prévu pour y arriver.
C'EST une vraie technologie d'avenir.
Même pour le transport aérien longue distance.

Je pense qu'il est quand même sacrément temps de s'y mettre ...
Sans compter les économies gargantuesques que permettrait ce procédé dans le cadre d'une préparation de mission martienne habitée, pour tout mettre en orbite a moindre frais.