Les systèmes d'alimentation (alimentation, si c'est plus simple, car même les machines ont besoin de manger quelque chose) sont une partie importante du vaisseau spatial. Ils doivent travailler dans des conditions extrêmes et être extrêmement fiables. Cependant, avec la demande énergétique toujours croissante des engins spatiaux complexes, nous aurons besoin de nouvelles technologies à l'avenir. Les missions qui dureront des décennies nécessiteront une nouvelle génération d'alimentations électriques. Quelles options?
Les derniers téléphones portables peuvent à peine survivre une journée sans avoir à être branchés sur une prise de courant. Mais la sonde Voyager, lancée il y a 38 ans, nous envoie toujours des informations au-delà du système solaire. Les sondes Voyager sont capables de traiter efficacement 81 000 instructions par seconde, mais les smartphones sont en moyenne 7 000 fois plus rapides.
Vos téléphones portables sont bien sûr conçus pour être rechargés régulièrement et il est peu probable qu'ils s'éloignent à plusieurs millions de kilomètres de la prise la plus proche. Il n'est pas pratique de recharger un vaisseau spatial situé à 100 millions de kilomètres de la station la plus proche. Au lieu de cela, un vaisseau spatial doit être capable de stocker ou de générer suffisamment d'énergie pour naviguer dans l'espace pendant des décennies. Et cela, il s'est avéré, est difficile à arranger.
Alors que certains systèmes embarqués ne nécessitent qu'occasionnellement de l'énergie, d'autres doivent fonctionner en permanence. Les transpondeurs et les récepteurs doivent être actifs à tout moment, et dans le cas d'un vol habité ou d'une station spatiale, les systèmes de survie et d'éclairage doivent également fonctionner.
Le Dr Rao Surampudi est le directeur du programme de technologie de l'énergie au Jet Propulsion Laboratory du California Institute of Technology. Depuis plus de 30 ans, il développe des systèmes d'alimentation électrique pour divers vaisseaux spatiaux de la NASA.
Selon Surampudi, les systèmes d'alimentation des engins spatiaux représentent environ 30% de la masse de transport et peuvent être divisés en trois sous-groupes importants:
la production d'énergie;
Vidéo promotionelle:
stockage d'Energie;
gestion et distribution de l'alimentation
Ces systèmes sont essentiels au fonctionnement de l'engin spatial. Ils doivent avoir une faible masse, vivre longtemps et être «énergétiquement denses», c'est-à-dire produire beaucoup d'énergie à partir de volumes relativement petits. Ils doivent également être assez fiables, car certaines choses dans l'espace seraient presque irréalistes ou peu pratiques à réparer.
Ces systèmes doivent non seulement être en mesure de fournir de l'énergie à tous les besoins à bord, mais aussi pouvoir le faire tout au long de la mission - dont certains peuvent durer des dizaines ou des centaines d'années.
«L'espérance de vie doit être longue, car si quelque chose ne va pas, vous ne pouvez pas le réparer», dit Surampudi. "Il faudra cinq à sept ans pour arriver à Jupiter, plus de dix ans à Pluton, mais quitter le système solaire est de 20 à 30 ans."
En raison de l'environnement unique dans lequel ils opèrent, les systèmes d'alimentation de l'engin spatial doivent être capables de fonctionner en apesanteur et dans le vide, ainsi que de résister à un rayonnement colossal (généralement, dans de telles conditions, l'électronique ne fonctionne pas). "Si vous atterrissez sur Vénus, les températures peuvent atteindre 460 degrés Celsius, mais sur Jupiter, elles peuvent chuter à -150 degrés."
Le vaisseau spatial, qui se dirige vers le centre de notre système solaire, recevra beaucoup d'énergie solaire pour ses panneaux photovoltaïques. Les panneaux solaires des vaisseaux spatiaux peuvent ressembler à des panneaux solaires ordinaires pour nos maisons, mais sont conçus pour fonctionner plus efficacement qu'à la maison.
L'augmentation soudaine de la température à proximité du soleil peut également provoquer une surchauffe des panneaux solaires. Ceci est atténué en faisant tourner les panneaux solaires loin du soleil, ce qui limite l'exposition aux rayons intenses.
Lorsqu'un vaisseau spatial entre sur l'orbite d'une planète, les cellules solaires deviennent moins efficaces; ils ne peuvent pas générer beaucoup d'énergie en raison des éclipses et du passage dans l'ombre de la planète. Un système de stockage d'énergie fiable est nécessaire.
Les atomes répondent
Les batteries au nickel-hydrogène, qui peuvent être rechargées plus de 50 000 fois et ont une durée de vie de plus de 15 ans, sont l'un de ces types de systèmes de stockage d'énergie. Contrairement aux batteries commerciales, qui ne fonctionnent pas dans l'espace, ces batteries sont des systèmes hermétiquement scellés qui peuvent fonctionner dans le vide.
Lorsque vous vous éloignez du Soleil, le rayonnement solaire diminue progressivement de 1,374 W / m2 autour de la Terre à 50 W / m2 près de Jupiter, alors que Pluton s'élève déjà à environ 1 W / m2. Par conséquent, lorsqu'un vaisseau spatial vole hors de l'orbite de Jupiter, les scientifiques se tournent vers les systèmes atomiques pour fournir de l'énergie au vaisseau spatial.
Le type le plus courant est les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes (RTG en abrégé), qui ont été utilisés sur Voyager, Cassini et le rover Curiosity. Ce sont des appareils à semi-conducteurs sans pièces mobiles. Ils génèrent de la chaleur lors de la désintégration radioactive d'éléments tels que le plutonium et ont une durée de vie de plus de 30 ans.
Lorsque l'utilisation d'un RTG n'est pas possible - par exemple, si le poids du blindage nécessaire pour protéger l'équipage rend l'appareil impraticable - et que la distance du Soleil empêche l'utilisation de panneaux solaires, les piles à combustible sont tournées.
Des piles à combustible hydrogène-oxygène ont été utilisées lors des missions spatiales Apollo et Gemini. Bien que les piles à combustible hydrogène-oxygène ne puissent pas être rechargées, elles ont une énergie spécifique élevée et ne laissent rien d'autre que de l'eau à boire aux astronautes.
Les recherches en cours menées par la NASA et le JPL permettront aux futurs systèmes électriques de générer et de stocker plus d'énergie, en utilisant moins d'espace, et pendant longtemps. Néanmoins, les nouveaux engins spatiaux nécessitent de plus en plus de réserves à mesure que leurs systèmes embarqués deviennent de plus en plus complexes et gourmands en énergie.
Les besoins énergétiques élevés sont particulièrement vrais lorsque le vaisseau spatial utilise un système de propulsion électrique comme le moteur ionique, livré pour la première fois à Deep Space 1 en 1998 et encore utilisé avec succès sur des engins spatiaux. Les systèmes de propulsion électrique éjectent généralement du carburant avec de l'électricité à grande vitesse, mais d'autres utilisent des cordes électrodynamiques qui interagissent avec les champs magnétiques de la planète pour déplacer le vaisseau spatial.
La plupart des systèmes énergétiques sur Terre ne fonctionneront pas dans l'espace. Ainsi, tout nouveau système d'alimentation électrique doit être minutieusement testé avant d'être installé sur un vaisseau spatial. La NASA et le JPL utilisent leurs laboratoires pour simuler les conditions difficiles dans lesquelles cette nouvelle technologie fonctionnera, bombardant de nouveaux composants et systèmes avec des radiations et les exposant à des températures extrêmes.
Vie supplémentaire
Des générateurs de radio-isotopes Stirling sont actuellement en préparation pour de futures missions. Sur la base des RTG existants, ces générateurs sont beaucoup plus efficaces que leurs frères et sœurs thermoélectriques, et peuvent être beaucoup plus petits, bien qu'avec une disposition plus complexe.
De nouveaux types de batteries sont également en cours de développement pour la mission prévue de la NASA en Europe (l'une des lunes de Jupiter). Ils doivent fonctionner dans une plage de température de -80 à -100 degrés Celsius. La possibilité de créer des batteries lithium-ion avancées avec le double de l'énergie stockée est à l'étude. Ils pourraient permettre aux astronautes de passer deux fois plus de temps sur la Lune avant que les batteries ne s'épuisent.
De nouvelles cellules solaires sont en cours de développement qui peuvent fonctionner dans des conditions d'intensité lumineuse et de températures réduites, c'est-à-dire que le vaisseau spatial peut fonctionner à l'énergie solaire plus éloignée du Soleil.
Un jour, la NASA décidera enfin de construire une base permanente sur Mars avec des gens, et peut-être sur une autre planète. L'agence aura besoin de systèmes de production d'électricité beaucoup plus puissants que les systèmes existants.
La lune est riche en hélium-3, un élément rare sur Terre qui pourrait être un combustible idéal pour la fusion nucléaire. Cependant, jusqu'à présent, une telle synthèse n'est pas considérée comme suffisamment stable ou fiable pour constituer la base de l'alimentation électrique de l'engin spatial. De plus, un réacteur à fusion typique, tel qu'un tokamak, a à peu près la taille d'une maison et ne rentrera pas dans un vaisseau spatial.
Qu'en est-il des réacteurs nucléaires qui seraient parfaits pour les engins spatiaux à propulsion électrique et les missions prévues pour atterrir sur la Lune et sur Mars? Au lieu d'apporter un système d'alimentation électrique séparé à la colonie, le générateur nucléaire du vaisseau spatial pourrait être utilisé.
Des engins spatiaux équipés d'un moteur de type nucléaire-électrique sont envisagés pour des missions à long terme à l'avenir. «Une mission de redirection d'astéroïdes nécessitera de puissants panneaux solaires qui fourniront une propulsion électrique suffisante pour que le vaisseau spatial puisse manœuvrer autour de l'astéroïde», explique Surampudi. "À un moment donné, nous allions le lancer sur l'énergie solaire, mais avec l'énergie nucléaire, tout sera beaucoup moins cher."
Cependant, nous ne verrons pas de vaisseau spatial à propulsion nucléaire pendant de nombreuses années. «La technologie n'a pas encore mûri», déclare Surampudi. "Nous devons nous assurer qu'ils sont en sécurité après le lancement." Ils devront subir des tests rigoureux pour montrer s’il est sûr d’exposer ces installations nucléaires aux dures épreuves de l’espace ».
Les nouveaux systèmes d'approvisionnement en énergie permettront au vaisseau spatial de fonctionner plus longtemps et de voyager plus loin, mais n'en sont encore qu'au début de leur développement. Une fois testés, ils deviendront des composants essentiels pour les missions habitées sur Mars et au-delà.
