Qu'est-ce qui alimente les engins spatiaux vers les planètes extérieures et au-delà ?

La plupart des engins spatiaux, y compris les satellites et certains atterrisseurs martiens, reposent sur des panneaux solaires, mais pour des sorties robustes et complexes comme Mars Curiosité mission rover et vols de très longue durée comme celui qui vient de prendre Nouveaux horizons par Pluton et ses lunes, seule l'énergie extraite de sources radioactives peut fournir suffisamment de punch.

Une représentation d'artiste de l'engin qui vient de passer par Pluton.

La NASA utilise des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes (RTG), une combinaison intelligente de matériaux autrefois extraits des sous-produits des armes nucléaires et d'une technique vieille de 200 ans pour convertir les différences de température en électricité. Les RTG ont commencé à alimenter les missions de la NASA en 1969.

Comment ça fonctionne

Un RTG exploite la chaleur générée par la désintégration radioactive du dioxyde de plutonium-238, qui peut être raffiné à partir des sous-produits du processus d'enrichissement nécessaire pour produire un isotope plus lourd et plus fissile, le plutonium-239, pour les armes nucléaires. L'isotope plus léger produit très peu de rayonnement gamma, ce qui signifie qu'il nécessite relativement peu de blindage dans un vaisseau spatial.

Au fur et à mesure que le Pu-238 se désintègre au cours de sa demi-vie de près de 88 ans - après 88 ans, il reste environ la moitié de la masse d'origine, puis la moitié à chaque période successive de 88 ans - sa chaleur est convertie en électricité par des couples thermoélectriques (ou thermocouples ), qui reposent sur l'effet Seebeck. Cela a été décrit pour la première fois en 1821 par le physicien allemand Thomas Johann Seebeck, bien qu'il n'ait pas tout à fait réalisé ce qu'il voyait : qu'un courant électrique circule entre deux métaux maintenus à des températures différentes.

Dans le type de RTG utilisé dans Nouveaux horizons et plusieurs missions précédentes, le côté chaud de la connexion est en moyenne de 1 308 Kelvin (1 894 ° F) au lancement et le côté froid d'environ 566 Kelvin (559 ° F). La température maximale diminue avec le temps à mesure que le carburant se désintègre, ce qui contribue à une réduction progressive de la production électrique. Mais il reste suffisamment de puissance après des années dans l'espace pour alimenter plusieurs instruments scientifiques, faire fonctionner des ordinateurs et gérer les communications de données à longue distance.

Diminution des stocks

Le département américain de l'Énergie produisait du Pu-238 sur son site de Savannah River en Caroline du Sud, mais il a cessé de fabriquer du plutonium de qualité militaire à la fin des années 1980. Le gouvernement a complété son stock en baisse en achetant du plutonium à la Russie, mais la Russie a interrompu les expéditions en 2009 et pourrait en avoir peu ou pas sous forme utilisable. (La Russie n'utilise pas de RTG pour les vols spatiaux, et l'Agence spatiale européenne non plus.)

On estime que les États-Unis ont environ 37 kilogrammes de Pu-238 vieillissant, mais le directeur de la division des sciences planétaires de la NASA, Jim Green, affirme qu'environ 17 kilogrammes seulement sont sous une forme qui pourrait être utilisée pour les RTG. Pour mettre le chiffre en perspective, considérons que Nouveaux horizons a commencé sa mission avec 11 kilogrammes. Curiosité transporte à peine 4,8 kilogrammes, mais il dispose également de batteries au lithium que le RTG recharge pendant les périodes d'inactivité, permettant au rover martien une grande quantité d'énergie globale pendant ses déplacements et expériences diurnes.

La NASA finance un effort du ministère de l'Énergie pour développer un nouveau cycle de production qui implique trois laboratoires nationaux : Los Alamos, Oak Ridge et Idaho. D'ici 2021, l'opération espère produire 1,5 kilogramme de dioxyde de plutonium-238 par an.

Compte tenu de la pénurie et du fait que les RTG actuels sont extrêmement inefficaces - ils convertissent un peu plus de 6% de la production de chaleur en électricité - la prochaine mission de la NASA pour sonder Europa, une lune glacée de Jupiter, devrait être alimentée par l'énergie solaire. Jusqu'à récemment, il était considéré comme impossible d'utiliser l'énergie solaire à cette distance, mais les améliorations de la technologie terrestre ont aidé. L'Agence spatiale européenne a également une mission Jupiter à énergie solaire, JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), dont le lancement est prévu en 2022.

Plusieurs efforts sont en cours pour améliorer l'efficacité des thermocouples en utilisant de nouveaux matériaux ou des conceptions RTG entièrement retravaillées. Une mise à niveau à court terme du style de module utilisé dans Curiosité pourrait faire passer l'électricité extraite à 8 %, soit un tiers d'électricité en plus à partir du même combustible, tandis que les projets à plus long terme pourraient atteindre jusqu'à 15 % d'efficacité.

Approche alternative

Une autre idée très ancienne pour alimenter les engins spatiaux est maintenant sur l'étagère, mais elle peut être dépoussiérée. Pendant des années, la NASA a financé le développement du générateur avancé de radio-isotopes de Stirling (ASRG), qui, comme l'effet Seebeck, repose sur une idée vieille de 200 ans. Un moteur Stirling génère de l'électricité à partir d'un piston alimenté par un différentiel de chaleur, tout comme un thermocouple, mais avec quelques pièces mécaniques. Le piston de cette conception flotte dans l'hélium pour éviter l'usure physique.

L'ASRG pourrait avoir quatre fois l'efficacité des RTG actuels, soit environ 26 %. Cela étirerait beaucoup plus le rare Pu-238. Ce n'est pas seulement théorique non plus : un prototype de l'ASRG a fonctionné dans un laboratoire pendant une décennie sans faute. Le seul problème est que le budget de l'ASRG a été réduit en 2013. Le chef des sciences planétaires de la NASA, Green, est impatient de redémarrer les travaux.

Le plat à emporter :

Le solaire jouera un rôle plus important dans l'avenir de l'exploration planétaire. Mais il reste de nombreux points que l'artisanat avec seulement des panneaux solaires ne peut pas atteindre, et de nombreux instruments scientifiques nécessitent plus d'énergie qu'il n'est possible ou économique de fonctionner via des panneaux solaires. Les RTG sont nécessaires pour atteindre Saturne et au-delà, explorer les cratères lunaires et visiter le côté obscur de Mercure, et permettre une science ambitieuse et expansive à l'échelle du Voyageurs .

Le prochain vaisseau Pluton aura du plutonium à bord. Il s'agit de s'assurer qu'il y en a assez et qu'il est bien utilisé.

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