Les missions spatiales de plusieurs décennies, voire plus, nécessiteront une nouvelle génération d'alimentations.
Le système d'alimentation est un élément vital du vaisseau spatial. Ces systèmes doivent être extrêmement fiables et conçus pour résister aux environnements difficiles.
Les appareils sophistiqués d'aujourd'hui nécessitent de plus en plus d'énergie - quel est l'avenir de leurs alimentations?
Un smartphone moderne moyen peut à peine durer une journée avec une seule charge. Et la sonde Voyager, lancée il y a 38 ans, transmet toujours des signaux à la Terre après avoir quitté le système solaire.
Les ordinateurs Voyager sont capables d'effectuer 81 000 opérations par seconde - mais le processeur d'un smartphone est sept mille fois plus rapide.
Lors de la conception d'un téléphone, bien sûr, on suppose qu'il sera régulièrement rechargé et qu'il est peu probable qu'il se trouve à plusieurs millions de kilomètres de la prise la plus proche.
Cela ne fonctionnera pas pour charger la batterie de l'engin spatial, qui, selon le plan, devrait être située à une centaine de millions de kilomètres de la source actuelle, il ne fonctionnera pas - il doit être capable soit de transporter des batteries d'une capacité suffisante à bord pour fonctionner pendant des décennies, soit de produire de l'électricité par lui-même.
Il s'avère assez difficile de résoudre un tel problème de conception.
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Certains appareils embarqués n'ont besoin d'électricité que de temps en temps, mais d'autres doivent fonctionner en continu.
Les récepteurs et les émetteurs doivent toujours être allumés, et en vol habité ou sur une station spatiale habitée, les systèmes de survie et d'éclairage doivent également être allumés.
Le Dr Rao Surampudi dirige le programme de technologie énergétique au Jet Propulsion Laboratory du California Institute of Technology aux États-Unis. Depuis plus de 30 ans, il développe des systèmes d'alimentation pour divers véhicules de la NASA.
Selon lui, le système énergétique représente généralement environ 30% de la masse totale de l'engin spatial. Il résout trois tâches principales:
- production d'électricité
- stockage d'électricité
- distribution d'électricité
Toutes ces parties du système sont vitales pour le fonctionnement de l'appareil. Ils doivent être légers, durables et avoir une "densité d'énergie" élevée, c'est-à-dire générer beaucoup d'énergie avec un volume assez petit.
De plus, ils doivent être fiables, car envoyer une personne dans l'espace pour réparer les pannes est très peu pratique.
Le système doit non seulement générer suffisamment d'énergie pour tous les besoins, mais aussi le faire tout au long du vol - et il peut durer des décennies, et à l'avenir, peut-être des siècles.
«La durée de vie de la conception devrait être longue - si quelque chose casse, il n'y aura personne à réparer», déclare Surampudi. "Le vol vers Jupiter prend cinq à sept ans, vers Pluton plus de 10 ans, et il faut 20 à 30 ans pour quitter le système solaire."
Les systèmes d'alimentation d'un engin spatial sont dans des conditions très spécifiques - ils doivent rester opérationnels en l'absence de gravité, dans le vide, sous l'influence de radiations très intenses (qui désactiveraient la plupart des appareils électroniques conventionnels) et de températures extrêmes.
«Si vous atterrissez sur Vénus, alors 460 degrés seront à la mer», explique le spécialiste. "Et lors de l'atterrissage sur Jupiter, la température sera de moins 150".
Les engins spatiaux se dirigeant vers le centre du système solaire ne manquent pas d'énergie collectée par leurs panneaux photovoltaïques.
Ces panneaux ne sont guère différents des panneaux solaires installés sur les toits des bâtiments résidentiels, mais en même temps, ils fonctionnent avec une efficacité beaucoup plus élevée.
Il fait très chaud près du soleil et les panneaux photovoltaïques peuvent surchauffer. Pour éviter cela, les panneaux sont détournés du soleil.
En orbite planétaire, les panneaux photovoltaïques sont moins efficaces: ils génèrent moins d'énergie, car de temps en temps, ils sont isolés du Soleil par la planète elle-même. Dans de telles situations, un système de stockage d'énergie fiable est nécessaire.
Solution atomique
Un tel système peut être construit sur la base de batteries nickel-hydrogène, qui peuvent supporter plus de 50 000 cycles de charge et durer plus de 15 ans.
Contrairement aux batteries conventionnelles, qui ne fonctionnent pas dans l'espace, ces batteries sont scellées et peuvent fonctionner normalement dans le vide.
À mesure que nous nous éloignons du Soleil, le niveau de rayonnement solaire diminue naturellement: pour la Terre, il est de 1374 watts par mètre carré, pour Jupiter - 50, et pour Pluton - un seul watt par mètre carré.
Par conséquent, si le vaisseau spatial quitte l'orbite de Jupiter, il utilise des systèmes d'énergie atomique.
Le plus courant d'entre eux est le générateur thermoélectrique radio-isotopique (RTG) utilisé sur les sondes Voyager et Cassini et sur le rover Curiosity.
Il n'y a pas de pièces mobiles dans ces blocs d'alimentation. Ils génèrent de l'énergie en décomposant des isotopes radioactifs tels que le plutonium. Leur durée de vie dépasse 30 ans.
S'il est impossible d'utiliser un RTG (par exemple, si un écran trop massif pour le vol est nécessaire pour protéger l'équipage des radiations) et que les panneaux photovoltaïques ne conviennent pas en raison d'une trop grande distance du Soleil, alors des piles à combustible peuvent être utilisées.
Des piles à combustible hydrogène-oxygène ont été utilisées dans les programmes spatiaux américains Gemini et Apollo. Ces cellules ne peuvent pas être rechargées, mais elles libèrent beaucoup d'énergie, et un sous-produit de ce processus est l'eau, que l'équipage peut ensuite boire.
La NASA et le Jet Propulsion Laboratory s'emploient à créer des systèmes plus puissants, plus gourmands en énergie et plus compacts avec une longue durée de vie.
Mais les nouveaux engins spatiaux ont besoin de plus en plus d'énergie: leurs systèmes embarqués deviennent constamment complexes et consomment beaucoup d'électricité.
Cela est particulièrement vrai pour les navires qui utilisent un entraînement électrique - par exemple, le dispositif de propulsion ionique, utilisé pour la première fois sur la sonde Deep Space 1 en 1998 et s'est depuis généralisé.
Les moteurs électriques fonctionnent généralement en éjectant du carburant électriquement à grande vitesse, mais il y a ceux qui accélèrent l'appareil par interaction électrodynamique avec les champs magnétiques des planètes.
La plupart des systèmes énergétiques de la Terre ne sont pas capables de fonctionner dans l'espace. Par conséquent, tout nouveau schéma passe par une série de tests sérieux avant d'être installé sur un vaisseau spatial.
Les laboratoires de la NASA recréent les conditions difficiles dans lesquelles le nouvel appareil devra fonctionner: il est irradié par des radiations et soumis à des changements de température extrêmes.
Vers de nouvelles frontières
Il est possible que des générateurs de radio-isotopes Stirling améliorés soient utilisés lors de futurs vols. Ils fonctionnent sur un principe similaire au RTG, mais beaucoup plus efficace.
De plus, ils peuvent être très petits - bien que la conception soit encore plus compliquée.
De nouvelles batteries sont en cours de construction pour le vol prévu de la NASA vers l'Europe, l'une des lunes de Jupiter. Ils pourront fonctionner à des températures allant de -80 à -100 degrés.
Et les nouvelles batteries lithium-ion sur lesquelles les concepteurs travaillent actuellement auront une capacité deux fois supérieure à celle des batteries actuelles. Avec leur aide, les astronautes peuvent, par exemple, passer deux fois plus de temps sur la surface lunaire avant de retourner sur le navire pour se recharger.
De nouveaux panneaux solaires sont également en cours de conception pour collecter efficacement l'énergie dans des conditions de faible luminosité et de basses températures - cela permettra aux appareils installés sur des panneaux photovoltaïques de s'envoler du soleil.
À un certain stade, la NASA a l'intention d'établir une base permanente sur Mars - et peut-être sur des planètes plus éloignées.
Les systèmes énergétiques de ces colonies devraient être beaucoup plus puissants que ceux utilisés dans l'espace aujourd'hui et conçus pour un fonctionnement beaucoup plus long.
Il y a beaucoup d'hélium-3 sur la lune - cet isotope est rarement trouvé sur Terre et est le combustible idéal pour les centrales thermonucléaires. Cependant, il n'a pas encore été possible d'atteindre une stabilité suffisante de la fusion thermonucléaire pour utiliser cette source d'énergie dans les engins spatiaux.
De plus, les réacteurs thermonucléaires actuellement existants occupent la zone d'un hangar pour avions et, sous cette forme, il est impossible de les utiliser pour des vols spatiaux.
Est-il possible d'utiliser des réacteurs nucléaires conventionnels - en particulier dans des véhicules à propulsion électrique et dans des missions planifiées sur la Lune et sur Mars?
Dans ce cas, la colonie n'a pas à gérer une source d'électricité distincte - le réacteur d'un navire peut jouer son rôle.
Pour les vols de longue durée, il est possible que des hélices atomiques-électriques soient utilisées.
«La mission de déviation d'astéroïdes nécessite de grands panneaux solaires pour avoir suffisamment d'énergie électrique pour manœuvrer autour de l'astéroïde», explique Surampudi. "Nous envisageons actuellement une option de propulsion solaire-électrique, mais atomique-électrique serait moins cher."
Cependant, il est peu probable que nous voyions des engins spatiaux à propulsion nucléaire dans un proche avenir.
«Cette technologie n'est pas encore suffisamment développée. Il faut être absolument sûr de sa sécurité avant de lancer un tel appareil dans l'espace », explique le spécialiste.
Des tests plus rigoureux sont nécessaires pour s'assurer que le réacteur est capable de résister aux rigueurs du vol spatial.
Tous ces systèmes d'alimentation prometteurs permettront aux vaisseaux spatiaux de durer plus longtemps et de voler sur de longues distances - mais jusqu'à présent, ils en sont aux premiers stades de développement.
Une fois les tests terminés avec succès, ces systèmes deviendront une composante obligatoire des vols vers Mars - et au-delà.
