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puissance sur la lune. Que faut-il pour survivre à la nuit lunaire ?

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puissance sur la lune.  Que faut-il pour survivre à la nuit lunaire ?

Avec l’aide de partenaires internationaux et commerciaux, la NASA envoie des astronautes sur la Lune pour la première fois depuis plus de cinquante ans. En plus des missions habitées sur la surface lunaire, l’objectif à long terme du programme Artemis est de créer l’infrastructure nécessaire au programme.Exploration et développement durable de la lune.Mais contrairement aux missions Apollo qui ont envoyé des astronautes à l’équateur lunaire, Programme Artémis enverrait des astronautes dans le bassin Antarctique-Aitken de la Lune, aboutissant à la création d’un habitat ( Camp de base d’Artemis).

Cette zone contient de nombreux cratères ombragés en permanence et connaît un cycle nocturne de quatorze jours (« Nuit de luneÉtant donné que l’énergie solaire serait limitée dans ces conditions, les astronautes, engins spatiaux, rovers et autres éléments de surface d’Artemis auraient besoin de sources d’énergie supplémentaires qui pourraient fonctionner dans les régions de cratères et pendant les longues nuits lunaires. Institut de l’aviation de l’Ohio (OAI) et Centre de recherche Glenn de la NASA Il a récemment accueilli deux ateliers sur les technologies nucléaires spatiales conçues pour faire progresser les solutions pour les missions de longue durée loin de la Terre.

Glenn de la NASA est le siège de NASA Power Systems Research, où les ingénieurs et les techniciens développent des méthodes avancées de production d’énergie, de conversion d’énergie et de stockage – avec des applications allant de l’énergie solaire, thermique et des batteries aux radio-isotopes, à la fission et aux piles à combustible renouvelables. L’OAI, basé à Cleveland, est un groupe de recherche à but non lucratif dédié au renforcement des partenariats entre le gouvernement et l’industrie pour la poursuite de la recherche aérospatiale. OAI a une longue histoire de coopération et de contrats avec la NASA et le ministère de la Défense.

Ces ateliers constituaient la dernière étape du développement collaboratif entre la NASA et le Département américain de l’énergie des technologies nucléaires pour les programmes d’exploration spatiale habitée. En termes de paiement, ces efforts visent à apporter des propositions aux Systèmes de propulsion thermonucléaire et électronucléaire (NTP/NEP). Dans le premier cas, un réacteur nucléaire est utilisé pour chauffer un propulseur tel que l’hydrogène liquide (LH2); Dans ce dernier, le réacteur génère de l’électricité pour un agitateur magnétique qui ionise un gaz inerte tel que le xénon (aka. propulsion ionique).

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En 2021, la NASA et le Department of Energy sont sélectionnés Trois propositions de conception de réacteur Pour un système thermonucléaire capable d’envoyer des cargaisons et des équipages sur Mars et des missions scientifiques dans le système solaire externe. Les contrats, d’une valeur d’environ 5 millions de dollars chacun, ont été attribués par l’intermédiaire du ministère de l’Énergie Laboratoire national de l’Idaho (INL). En juin 2022, ils font le choix Trois propositions pour un concept de design à résistance de surface de fission (FSB) qui s’étendrait à la NASA Projet Kilopuissance Il pourrait être envoyé sur la lune comme démonstration technologique du programme Artemis.

L’atelier sur les technologies nucléaires a réuni plus de 100 ingénieurs, gestionnaires et experts en systèmes énergétiques de l’ensemble du gouvernement, de l’industrie et du milieu universitaire pour discuter de sujets allant de résistance de surface de fission tome Systèmes de propulsion nucléaire spatiaux. L’événement a réuni des conférenciers et des panélistes de la NASA, du département américain de l’énergie (DoE), du département de la Défense (DoD) et du secteur commercial pour partager les connaissances, les découvertes et les leçons tirées des efforts passés pour développer la technologie nucléaire. Le responsable du projet d’énergie de surface de la NASA, Todd Toffell, a expliqué communiqué de presse:

« Une énergie fiable est essentielle pour l’exploration de la Lune et de Mars, et la technologie nucléaire peut fournir une énergie robuste et fiable dans n’importe quel environnement ou emplacement, quelle que soit la lumière du soleil disponible. Alors que nous avançons avec des projets tels que la puissance de fission de surface et la propulsion nucléaire, il est logique regarder le travail qui a été fait dans le passé à la NASA et dans d’autres agences pour voir ce que nous pouvons apprendre.

Le premier atelier (en novembre) comprenait des discussions sur les exigences des missions qui nécessitent l’énergie nucléaire, telles que les missions extraterrestres de longue durée où l’énergie solaire n’est pas toujours une option. Cela inclut la région polaire sud de la Lune mais aussi sur Mars, où l’augmentation de la distance et les tempêtes de poussière périodiques peuvent également limiter l’énergie solaire. L’atelier comprenait également des discussions sur le test du matériel des programmes passés qui pourraient être pertinents pour les projets d’aujourd’hui. Elle s’est terminée par une visite des sept installations de recherche nucléaire de Glenn. Il a dit Lee Mason, président associé, Énergie, Glenn :

« L’atelier a fourni une excellente occasion de discuter des développements technologiques et a donné l’occasion aux nouvelles équipes de l’industrie d’apprendre du passé et de s’appuyer sur les bases qui ont été établies. Une solide collaboration entre l’industrie et le gouvernement et le partage des connaissances nous aideront à réussir avec Artemis et d’autres missions.

Le deuxième atelier a eu lieu début décembre et a réuni plus de 500 personnes de 28 pays (en personne et virtuellement) pour discuter de la manière de relever les défis intenses du travail une nuit lunaire. Au cours de l’atelier de trois jours, les participants ont été informés des développements pertinents dans le domaine par des experts en technologie de l’énergie et de la chaleur de la NASA et d’autres organisations. Cela comprenait ceux financés par la NASA Direction des missions de technologie spatiale (STMD) et Direction de la mission de développement du système d’exploration (ESDMD).

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Des mises à jour de statut ont également été fournies par les nombreuses entités commerciales qui s’associent à la NASA via la NASA Services de charge utile commerciale lunaire (CLPS), qui commencera à fournir des expériences et des démonstrations technologiques sur la surface lunaire au début de 2023. La plupart de ces missions reposent sur des panneaux solaires ou des batteries et seront confrontées à des défis énergétiques et thermiques lorsqu’elles atterriront dans le bassin Antarctique-Aitken. Étant donné que ces systèmes doivent rester en service plus longtemps que le jour lunaire (également 14 jours), les fournisseurs de CLPS bénéficieront également de systèmes d’alimentation avancés.

Vue d’artiste d’astronautes sur la lune dans le cadre du programme Artemis. Crédit : NASA

Comme Tibor Krimic, chef du Space Science Project Office à la NASA Glenn, résumé:

« La Lune est pleine de conditions extrêmes, en particulier pendant la nuit lunaire, auxquelles nous devons nous préparer. Nous le faisons en réunissant des experts de premier plan de la NASA, des partenaires commerciaux, des universités et d’autres agences gouvernementales pour échanger des idées, examiner les capacités techniques et discuter de l’avenir. L’atelier a été une expérience d’apprentissage pour nous Tous ensemble, car ils ont aidé à mieux préparer nos fournisseurs CLPS et à accroître notre compréhension des diverses capacités et limitations techniques alors que nous continuons à nous préparer pour des livraisons de charges utiles plus ambitieuses à certains des plus endroits difficiles du système solaire.

Ces ateliers dépendent également de la NASA Initiative d’innovation sur la surface lunaireIl se consacre à favoriser des partenariats qui mèneront aux technologies nécessaires pour vivre et explorer sur la lune. L’initiative se concentre spécifiquement sur les technologies qui permettent l’utilisation des ressources in situ (ISRU), la production d’électricité, l’atténuation de la poussière lunaire, le forage et la construction sur la surface lunaire, l’exploration de l’environnement lunaire et d’autres moyens qui garantissent une présence humaine durable sur la lune. surface. lune pour les décennies à venir.

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Un autre objectif à long terme du programme Artemis est de créer l’infrastructure et l’expertise qui permettront des missions habitées vers Mars au début des années 2030. Cela présente de plus grands défis, de la logistique et du transport (temps de transit jusqu’à neuf mois) aux systèmes d’alimentation pour la surface. opérations. Là aussi, la propulsion nucléaire (qui peut réduire les temps de transit à 100 jours) et des réacteurs nucléaires pouvant alimenter des habitats de surface et des véhicules pour des missions de longue durée à haute intensité.

Voilà un autre exemple de la façon dont l’ère de l’exploration spatiale renouvelée (Space Age 2.0) stimule le développement de technologies dont on rêvait depuis des décennies !

Lecture complémentaire : Nasa

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Une technique spectroscopique qui identifie les molécules d’eau sur une surface révèle comment elles se relâchent après agitation

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Une technique spectroscopique qui identifie les molécules d’eau sur une surface révèle comment elles se relâchent après agitation

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Diagramme schématique du processus de relaxation vibratoire de l’étirement de OH dans l’air/eau (H2o)Interface. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

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Diagramme schématique du processus de relaxation vibratoire de l’étirement de OH dans l’air/eau (H2o)Interface. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

Une image plus complète de la façon dont les molécules d’eau excitées lorsqu’elles interagissent avec l’air perdent leur énergie a été révélée par les scientifiques de RIKEN dans une étude. publié Dans le magazine Communications naturelles. Ce résultat sera précieux pour mieux comprendre les processus se produisant à la surface de l’eau.

L’eau est une anomalie à bien des égards. Par exemple, ses points de congélation et d’ébullition sont beaucoup plus élevés que prévu, et il est moins dense sous forme solide (glace) que sous forme liquide.

Presque toutes les propriétés inhabituelles de l’eau proviennent des liaisons faibles qui se forment et se brisent constamment entre les molécules d’eau voisines. Ces liaisons, appelées liaisons hydrogène, surviennent parce que l’oxygène attire davantage les électrons que l’hydrogène. Ainsi, l’oxygène légèrement négatif d’une molécule est attiré vers les atomes d’hydrogène légèrement positifs des autres molécules.

Mais un petit segment de molécules d’eau – celles à la surface – subit les liaisons hydrogène différemment des autres molécules d’eau. Dans leur cas, le bras qui dépasse dans l’air ne forme pas de liaisons hydrogène.

Jusqu’à présent, personne n’était capable de comprendre comment les bras de ces molécules de surface se détendaient après avoir été étirés. En effet, il est très difficile d’isoler le signal de ces molécules.

« Nous avons une bonne connaissance du comportement des molécules d’eau dans un corps liquide, mais notre compréhension des molécules d’eau à l’interface est loin derrière », explique Tahi Tahara du laboratoire de spectroscopie moléculaire RIKEN.

Au cours de la dernière décennie, une équipe dirigée par Tahara a tenté de remédier à cette situation en développant des techniques spectroscopiques très sophistiquées pour explorer les interactions des molécules d’eau sur les surfaces.

L’équipe a maintenant développé une technique basée sur la spectroscopie infrarouge, suffisamment sensible pour détecter la façon dont les liaisons oxygène et hydrogène dans les molécules d’eau de surface se relâchent.

Grâce à cette technique, l’équipe a découvert que les liaisons oxygène et hydrogène coincées dans l’air tournent en premier sans perdre d’énergie. Ils se détendent ensuite d’une manière similaire aux molécules d’un corps liquide qui forment un réseau de liaisons hydrogène.

« En ce sens, il n’y a pas beaucoup de différence entre les molécules à l’interface et à l’intérieur du liquide après avoir interagi avec leurs voisines, car elles partagent toutes deux le même processus de relaxation », explique Tahara. « Ces résultats dressent un tableau complet de la façon dont les liaisons oxygène et hydrogène se détendent à la surface de l’eau. »

Tahara et son équipe ont désormais l’intention d’utiliser leur technique spectroscopique pour observer les réactions chimiques qui se produisent à l’interface de l’eau.

Plus d’information:
Woongmo Sung et al., Profil de relaxation vibratoire unifié de l’étirement de l’OH à l’interface air/eau, Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

Informations sur les magazines :
L’intelligence artificielle de la nature


Communications naturelles


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Supraconductivité à haute température : exploration du couplage électron-phonon en quadrature

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Supraconductivité à haute température : exploration du couplage électron-phonon en quadrature

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Une image conceptuelle de la formation des pôles quantiques. Les boules bleues représentent les ions chargés positivement dans le réseau matériel et les deux points rouges représentent les paires de Cooper. Crédit : Pavel A. Volkov.

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Une image conceptuelle de la formation des pôles quantiques. Les boules bleues représentent les ions chargés positivement dans le réseau matériel et les deux points rouges représentent les paires de Cooper. Crédit : Pavel A. Volkov.

Nouvelle étude publié dans Lettres d’examen physique (PRL) explore le potentiel du couplage électron-phonon en quadrature pour améliorer la supraconductivité grâce à la formation de dipôles quantiques.

Le couplage électron-phonon est l’interaction entre les électrons et les vibrations dans un réseau appelé phonons. Cette interaction est cruciale pour la supraconductivité (conductivité électrique sans résistance) de certains matériaux car elle facilite la formation de paires de Cooper.

Les paires de Cooper sont des paires d’électrons liés entre eux via des interactions attractives. Lorsque ces paires de Cooper se condensent dans un état cohérent, nous obtenons des propriétés supraconductrices.

Le couplage électron-phonon peut être classé en fonction de sa dépendance au déplacement du phonon, c’est-à-dire la quantité de vibration du réseau. Le cas le plus courant est celui où la densité électronique est couplée linéairement aux déplacements du réseau, provoquant une distorsion du réseau pour entourer chaque électron.

Les chercheurs voulaient étudier si la supraconductivité des matériaux présentant un couplage quadratique pouvait être améliorée lorsque l’énergie d’interaction est proportionnelle au carré du décalage des phonons.

Phys.org s’est entretenu avec les co-auteurs de l’étude, Zhaoyu Han, Ph.D. Candidat à l’Université de Stanford et Dr Pavel Volkov, professeur adjoint au Département de physique de l’Université du Connecticut.

Parlant de sa motivation derrière la poursuite de ces recherches, Hahn a déclaré : « L’un de mes rêves a été d’identifier et de proposer de nouveaux mécanismes qui pourraient aider à atteindre la supraconductivité à haute température. »

« La supraconductivité du titanate de strontium dopé a été découverte il y a plus de 50 ans, mais son mécanisme reste une question ouverte, les mécanismes classiques étant improbables. C’est pourquoi j’ai commencé à rechercher des mécanismes alternatifs de couplage électron-phonon », a déclaré le Dr Volkov.

Le couplage linéaire et ses défis pour la supraconductivité

Comme mentionné précédemment, le couplage peut être classé comme linéaire ou quadratique.

Le couplage linéaire fait référence au scénario dans lequel le couplage est proportionnel au déplacement des phonons. En revanche, le couplage quadratique dépend du carré du décalage des phonons.

Ils peuvent être identifiés grâce à l’étude de la symétrie de la matière, aux observations expérimentales et aux cadres théoriques. Cependant, leurs effets sur la supraconductivité semblent très différents.

Le couplage linéaire, qui apparaît dans la plupart des matériaux supraconducteurs, est largement étudié en raison de sa prévalence dans de nombreux matériaux et de son cadre théorique.

Cependant, les supraconducteurs conventionnels dotés d’un couplage électron-phonon linéaire sont confrontés à des limites. Ces matériaux ont une faible température critique, qui est la température en dessous de laquelle un matériau peut présenter une supraconductivité.

« Les températures critiques de ces supraconducteurs sont généralement inférieures à 30 Kelvin ou -243,15 degrés Celsius. Cela est dû en partie au fait que l’énergie de liaison et l’énergie cinétique de la paire Cooper sont considérablement supprimées dans les régimes de couplage faible et fort, respectivement », a expliqué Hahn.

Dans le cas d’un couplage faible, les interactions électron-phonon sont faibles en raison de la faible énergie de liaison. En couplage fort, les interactions sont plus fortes, conduisant à une augmentation de la masse effective des paires de Cooper, ce qui conduit à la suppression de la supraconductivité.

Cependant, la suppression entrave tout effort visant à améliorer les températures critiques dans de tels matériaux en augmentant simplement la force de couplage, encourageant les chercheurs à explorer des matériaux dotés d’un couplage électron-phonon quadratique, qui n’est pas bien compris.

Modèle Holstein et pôles quantiques

Le modèle Holstein est un cadre théorique utilisé pour décrire l’interaction entre les électrons et les phonons. Il a déjà été utilisé pour étudier la physique générale du couplage linéaire électron-phonon.

Les chercheurs ont étendu le modèle Holstein pour inclure le couplage électron-phonon en quadrature dans leur étude.

Le modèle Holstein aide à calculer des quantités telles que l’énergie de liaison des paires de Cooper et la température critique des supraconducteurs.

Dans les matériaux conventionnels, la liaison des électrons médiée par les phonons conduit à la formation de paires de Cooper.

L’interaction est linéaire, ce qui signifie que la force de couplage augmente avec l’amplitude des vibrations du réseau. Cette interaction peut être comprise à l’aide des principes de la physique classique et est bien étayée par des observations expérimentales telles que les effets isotopiques.

Dans le cas d’une conjonction quadratique, la situation est complètement différente. En étendant le modèle Holstein pour inclure la dépendance du second ordre du couplage au déplacement des phonons, les chercheurs ont pris en compte les fluctuations quantiques (mouvement aléatoire) des phonons et leur énergie du point zéro (l’énergie des phonons à 0 K ).

Les électrons interagissent avec les fluctuations quantiques des phonons, formant un « dipôle quantique ». Contrairement au couplage linéaire, l’origine des interactions attractives est la mécanique quantique pure.

La supraconductivité est dans la limite du couplage faible et fort

Les chercheurs ont découvert que lorsque l’interaction électron-phonon est faible, le mécanisme par lequel les électrons s’apparient pour former des paires de Cooper n’est pas efficace, comme dans le cas linéaire. Il en résulte une température critique plus basse qui peut être affectée par la masse des ions (effet isotopique), mais d’une manière différente que dans le cas linéaire.

En d’autres termes, la (basse) température critique d’une substance peut changer considérablement selon les différentes masses atomiques.

En revanche, lorsque les interactions électron-phonon sont fortes, nous obtenons la formation de dipôles quantiques, qui peuvent devenir supraconducteurs à une température déterminée par leur masse effective et leur densité.

En dessous de la température critique, les condensateurs bipolaires quantiques peuvent se déplacer librement sans perturber le cristal. Plus de mouvement conduit à un état supraconducteur, plus stable et ayant une température critique plus élevée. Contrairement au mécanisme linéaire, la masse dipolaire quantique n’est que légèrement améliorée par le couplage, ce qui permet des températures critiques plus élevées.

« Notre travail montre que ce mécanisme permet des températures de transition plus élevées, au moins pour un couplage fort. Ce qui est également positif, c’est que ce mécanisme ne nécessite aucune condition préalable particulière pour être efficace, et il existe des conditions tout à fait réalistes dans lesquelles il sera dominant », a-t-il déclaré. expliqué. Dr Volkov.

« Sur la base des constantes physiques fondamentales liées aux solides, une estimation optimiste de la température critique pouvant être atteinte par ce mécanisme pourrait être de l’ordre de 100 K », a prédit Hahn.

Travail futur

« Une implication possible, tout d’abord, serait une augmentation de la température de transition de la supraconductivité. La supraconductivité dépend également de manière sensible des propriétés des électrons ; par conséquent, pour obtenir un couplage fort, nous proposons l’utilisation de super-réseaux spécialement conçus pour les électrons. » Le Dr Volkov a expliqué.

Les chercheurs affirment que la prochaine étape, en théorie, consisterait à trouver le régime optimal de force de couplage pour la supraconductivité. Les chercheurs espèrent également que les expérimentateurs exploreront les matériaux de super-réseau présentant de grands couplages électron-phonon quadratiques.

« Expérimentalement, la création de super-réseaux via la structuration ou l’utilisation d’interfaces entre des matériaux torsadés pourrait être une voie prometteuse pour atteindre le type de supraconductivité auquel nous nous attendons », a déclaré le Dr Volkov.

Hahn a également noté qu ‘ »il est important d’identifier les matériaux présentant de grands couplages électron-phonon quadratiques grâce à des calculs préliminaires, car cela n’a pas été systématiquement exploré ».

Plus d’information:
Zhaoyu Han et al., Supraconductivité dipolaire quantique à partir du couplage électron-phonon en quadrature, Lettres d’examen physique (2024). est ce que je: 10.1103/PhysRevLett.132.226001. sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2312.03844

Informations sur les magazines :
Lettres d’examen physique


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L’ESA fait le premier pas pour modifier ses politiques de géo-retour

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L’ESA fait le premier pas pour modifier ses politiques de géo-retour

WASHINGTON – Les États membres de l’Agence spatiale européenne ont pris des mesures pour ajuster leurs politiques de longue date qui attribuent des contrats pour les programmes de l’agence en fonction de l’importance de la contribution financière de chaque pays.

Lors d’une conférence de presse le 19 juin à l’issue d’une réunion du conseil d’administration de l’ESA, les responsables de l’agence ont déclaré que les membres avaient approuvé la « première étape » des changements apportés aux politiques de géoretour, ou géoretours, pour ses programmes. Dans le cadre du retour géographique, les fonds fournis par les États membres pour les programmes de l’ESA sont restitués sous forme de contrats aux entreprises de ces pays.

« Cela montre que l’ESA évolue vers de nouvelles conditions », a déclaré Josef Aschbacher, directeur général de l’ESA, lors de la conférence de presse.

Certains pays européens et membres de l’ESA ont critiqué le géoretour, arguant qu’il crée des inefficacités en attribuant des contrats sur la base des pays qui ont contribué aux programmes et pour quels montants, plutôt que sur la base du meilleur fournisseur. Ils affirment que cela entraîne des retards et une augmentation des coûts.

Cependant, d’autres ont averti que l’élimination du retour géographique pourrait nuire aux programmes de l’ESA en réduisant les incitations dont disposent les pays pour contribuer à ces programmes. Sans garantir que leurs entreprises reçoivent des contrats proportionnés au montant de leur contribution, les pays peuvent être réticents à fournir un financement.

La décision constitue un petit pas vers une modification des règles de retour géographique. « Nous avons présenté une décision visant à accroître la flexibilité dans la mise en œuvre des géoretours à l’ESA, mais également à simplifier le processus », a déclaré Geraldine Nga, directrice marketing de l’ESA.

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« Cela est vu comme une première étape dans une évolution plus générale de la politique industrielle, prenant en compte un contexte spatial totalement nouveau, qui nécessite une plus grande agilité et rapidité de prise de décision de la part de l’ESA tout en maintenant le principe de retour géographique, indispensable pour l’ESA », a-t-elle déclaré, « et nous a permis de construire une chaîne d’approvisionnement très solide en Europe ».

Les responsables de l’ESA n’ont pas expliqué les changements spécifiques au géoretour approuvés par le conseil dans la résolution, mais Aschbacher a suggéré qu’ils s’appuieraient sur une proposition faite il y a plusieurs années selon laquelle l’ESA organiserait un concours pour un programme, choisirait le soumissionnaire gagnant et chercherait ensuite un financement auprès de États membres. .

« C’est quelque chose que nous aimerions maintenant mettre en pratique sur quelques exemples », a-t-il déclaré. La nouvelle politique démarrera dans des programmes pilotes que l’ESA n’a pas encore choisis. « Nous n’avons pas encore identifié les bonnes personnes, mais je suis sûr que nous avons de bons candidats en tête. »

Les membres de l’ESA ont approuvé la décision après une discussion « intensive », a déclaré Aschbacher. Les ajustements au retour géographique ne sont qu’un élément des changements proposés par le Comité de la politique industrielle, mais il n’a fait aucune mention d’autres propositions de ce comité.

« Il existe une ouverture parmi nos États membres pour procéder à de réels ajustements et voir ce qui est le mieux pour une industrie compétitive en Europe », a-t-il déclaré. « Cependant, certains États membres ont déclaré que c’était une bonne chose. Nous avons fait des progrès très importants sur cette étape, mais nous devrions peut-être l’utiliser comme point de départ pour de nouveaux développements et de nouvelles discussions. »

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