Comment un petit réacteur nucléaire pourrait-il alimenter une colonie sur Mars ou au-delà?

par Patrick McClure et David Poston

Illustration de l’artiste représentant les radiateurs thermiques en forme de parapluie de quatre réacteurs nucléaires Kilopower qui jettent des ombres sur la surface martienne. Image: NASA

Lorsque nous imaginons envoyer des humains vivre sur Mars, la Lune ou d’autres corps planétaires dans un avenir pas si lointain, la première question est: comment allons-nous propulser leur colonie? Non seulement ils auront besoin d’énergie pour créer un environnement habitable, mais ils en auront également besoin pour revenir sur Terre. Pour les corps planétaires éloignés, comme Mars, il est inefficace d’apporter du carburant pour le voyage de retour; c’est trop lourd. Cela signifie que les astronautes ont besoin d'une source d'énergie pour fabriquer de l'oxygène liquide et du propulseur.

Mais quel type de source d'énergie est petit mais assez puissant pour alimenter de manière fiable un habitat extraterrestre?

Entrez Kilopower, un petit réacteur nucléaire conçu au Laboratoire national de Los Alamos en collaboration avec la NASA, qui devrait un jour alimenter une colonie sur Mars, la Lune ou au-delà.

La puissance de Kilopower réside dans sa simplicité: avec quelques pièces mobiles, il utilise la technologie du caloduc inventée à Los Alamos en 1963 pour propulser un moteur Stirling. Voici comment cela fonctionne: Le tube scellé dans le caloduc fait circuler un fluide dans le réacteur, capte la chaleur et la transporte vers le moteur Stirling. Là, l’énergie thermique met le gaz sous pression pour entraîner un piston couplé à un moteur générant de l’électricité. L’utilisation conjointe des deux dispositifs crée une source d’alimentation électrique simple et fiable pouvant être adaptée aux applications spatiales, y compris les missions d’exploration humaine et de sciences spatiales sur des corps planétaires extérieurs tels que les lunes de Jupiter et de Saturne.

Les réacteurs à kilopouvoir vont de 1 kilowatt (environ assez pour alimenter un grille-pain domestique) à 10 kW. Environ 40 kW seraient nécessaires pour gérer efficacement un habitat sur Mars et créer du combustible. La NASA enverrait donc probablement quatre à cinq réacteurs à la surface de la planète.

Les avantages de l’énergie nucléaire sont sa légèreté et sa fiabilité. D’autres sources d’énergie consomment trop de carburant, ce qui les rend trop lourdes, ou ne peuvent pas compter sur toutes les saisons. L'énergie solaire, par exemple, repose sur une lumière solaire constante. C’est quelque chose qui manque sur Mars, car cela dépend de l’heure du jour, de l’année, de l’emplacement sur la surface de la planète et de la gravité des tempêtes de poussière sur la planète, qui peuvent durer des mois. L'énergie nucléaire fonctionne quelle que soit la météo ou l'heure du jour. En outre, le nombre de panneaux solaires et de batteries nécessaires rendrait une fois de plus la fusée vers Mars extrêmement lourde, nécessitant davantage de carburant.

Et après?

Des expériences visant à tester Kilopower - appelée KRUSTY (réacteur Kilopower utilisant la technologie Stirling) - ont commencé à la fin de l’année dernière sur le site de sécurité nationale du Nevada (NNSS) et aboutiront au test d’un cœur de réacteur de type vol à la température de fonctionnement maximale ce printemps. Outre Los Alamos, la NASA et la NNSS, l’expérience est menée en collaboration avec le centre de recherche Glenn de la NASA, le centre de vol spatial Marshall et le complexe de sécurité nationale Y-12, ainsi que les sous-traitants SunPower et Advanced Cooling Technologies de la NASA.

Le travail sur cette technologie n'est pas nouveau. KRUSTY s'appuie sur une expérience menée en 2012 par une équipe de Los Alamos, NNSS et Glenn, qui a démontré la première utilisation d'un caloduc pour refroidir un petit réacteur nucléaire et alimenter un moteur Stirling. Ces nouvelles expériences s'appuient sur les connaissances acquises grâce à cette expérience.

À l'avenir, le potentiel de l'énergie nucléaire pour renforcer les projets d'habitat à long terme sur d'autres corps planétaires est assez extraordinaire. Si alimenter une colonie n’est qu’une des nombreuses questions techniques complexes auxquelles nous devons répondre lorsque nous pensons envoyer des humains sur d’autres planètes, c’est une question extrêmement importante. Kilopower pourrait très bien être la réponse. Nous sommes impatients de voir où cela nous mènera.

Patrick McClure est responsable du projet Kilopower au Laboratoire national Los Alamos du département américain de l’énergie au Nouveau-Mexique. David Poston est le concepteur en chef du réacteur, également à Los Alamos.