Plusieurs agences spatiales prévoient de retourner les astronautes sur la lune d'ici la fin de cette décennie. Parallèlement aux partenaires commerciaux et internationaux, ces efforts visent à créer des infrastructures qui assureront un «programme soutenu d'exploration et de développement lunaires». Cela comprend le programme Artemis de la NASA, la station de recherche Lunar International (ILRS) en Chine et le village lunaire de l'ESA, qui consistent tous à créer des habitats lunaires dans le bassin du pole-aère sud. Fournir du pouvoir à ces bases est un défi important étant donné le cycle du jour et de la nuit lunaires, qui dure deux semaines à la fois.
Plusieurs technologies prometteuses sont étudiées pour relever ce défi, y compris les moteurs Stirling, qui pourraient alimenter les systèmes d'alimentation du réacteur nucléaire (SNRP). Cependant, de nombreuses propriétés et considérations de conception doivent être prises en compte avant la construction de prototypes fonctionnels.
Dans un article récent publié dans Science et techniques nucléairesune équipe de scientifiques chinois a créé un modèle analytique pour évaluer différentes conceptions de moteurs de Stirling et déterminer quel est le plus prometteur. Leur travail présente une méthode d'analyse du cycle de Stirling qui capture plus précisément le comportement de fonctionnement du monde réel du moteur.
L'étude a été dirigée par Shang-Dong Yang, professeur de chimie organique au Collège de technologie nucléaire et d'ingénierie d'automatisation (CNTAE) à l'Université de technologie de Chengdu. Il a été rejoint par des collègues chercheurs des CNTAE et du Laboratoire de technologie de la conception du système de réacteur Science on Reactor au Nuclear Power Institute of China.
Un moteur Stirling est un système de chaleur régénératif à cycle fermé qui utilise l'expansion et la contraction des gaz (exposés à différentes températures) pour convertir l'énergie thermique en travaux mécaniques. Ces moteurs sont connus pour leur grande efficacité et leur polyvalence, ce qui en fait des candidats principaux pour les systèmes d'énergie avancés dans des environnements extraterrestres. Malheureusement, la prévision de leurs performances potentielles dans des environnements comme la Lune et Mars reste difficile car les données de tests réelles font défaut.
En attendant, les scientifiques sont obligés de compter sur des modèles théoriques qui prennent en compte la thermodynamique d'un tel système. Dans ce cas, les méthodes d'analyse de second ordre sont largement utilisées pour informer la conception et l'analyse thermodynamique des moteurs Stirling. Pour leur étude, l'équipe a développé une version simplifiée qui parine les cycles thermodynamiques et le fonctionnement du moteur en tenant compte de divers facteurs de dissipation d'énergie, notamment la perte de chaleur de la navette, la fuite de joints, la résistance à l'écoulement et la vitesse de piston finie.
Ces considérations sont cruciales lors de la conception de moteurs qui peuvent fonctionner et fournir du pouvoir aux habitats lunaires et martiens et autres installations nécessaires pour travailler et vivre au-delà de la Terre. Comme l'a expliqué le professeur Fong dans un communiqué de presse EurekaAlert: « Notre modèle raffiné offre une image plus claire de la façon dont les divers paramètres de conception, tels que la porosité du régénérateur et le choix du liquide de travail, affectent l'efficacité du moteur Stirling et la puissance de sortie. Cette progression fournit une référence critique et une prise en charge des données pour l'application de moteurs Stirling dans des systèmes d'énergie compacte avancés. » «
La capacité prédictive de leur modèle est également validée sur la base des données expérimentales des moteurs Stirling existants, comme le GPU-3 et le RE-1000 à piston libre. La NASA a développé ces concepts au cours des années 1970 pour produire des applications pour les futures missions qui s'appuyeraient sur les réalisations du programme Apollo.
La prochaine étape pour l'équipe consiste à tirer parti de ce modèle pour explorer des scénarios opérationnels dynamiques comme le démarrage du moteur et les réponses transitoires. Cette recherche pourrait conduire à des prototypes de production d'électricité pour les réacteurs nucléaires compacts, qui pourraient être testés dans des conditions lunaires et martiennes simulées. Avec de la chance, la technologie pourrait aider à la création de avant-postes humains permanents sur la lune et fournir des applications à la vie ici sur Terre.
Selon le professeur Fong, « Future Research se concentrera sur la compréhension et la gestion de l'équilibre thermique à toutes les étapes opérationnelles d'un système de réacteurs intégré, avec une attention particulière au démarrage dans des environnements sensibles tels que l'espace.
