L'alimentation des vaisseaux spatiaux avec l'énergie solaire peut ne pas sembler un défi, étant donné à quel point la lumière du soleil peut se sentir intense sur Terre. Les vaisseaux spatiaux près de la Terre utilisent de grands panneaux solaires pour exploiter le soleil pour l'électricité nécessaire pour gérer leurs systèmes de communication et leurs instruments scientifiques.
Cependant, plus vous allez dans l'espace, plus la lumière du soleil devient faible et moins elle est utile pour les systèmes d'alimentation avec des panneaux solaires. Même dans le système solaire intérieur, les vaisseaux spatiaux tels que Lunar ou Mars Rovers ont besoin de sources d'énergie alternatives.
En tant qu'astrophysicien et professeur de physique, j'enseigne un cours d'ingénierie aérospatiale de niveau supérieur sur l'environnement spatial. L'une des principales leçons que je souligne à mes élèves est à quel point l'espace peut être impitoyable. Dans cet environnement extrême où les vaisseaux spatiaux doivent résister à des éruptions solaires intenses, des fluctuations et des fluctuations de la température de centaines de degrés inférieurs à zéro à des centaines de degrés au-dessus de zéro, les ingénieurs ont développé des solutions innovantes pour alimenter certaines des missions spatiales les plus éloignées et les plus isolées.
Alors, comment les ingénieurs alimentent les missions dans les parties extérieures de notre système solaire et au-delà? La solution est la technologie développée dans les années 1960 sur la base de principes scientifiques découverts il y a deux siècles: générateurs thermoélectriques radio-isotopes, ou RTGS.
Les RTG sont essentiellement des batteries à propulsion nucléaire. Mais contrairement aux batteries AAA de votre télécommande TV, les RTG peuvent fournir de la puissance pendant des décennies tandis que des centaines de millions à des milliards de kilomètres de la Terre.
Puissance nucléaire
Les générateurs thermoélectriques radio-isotopes ne reposent pas sur des réactions chimiques comme les batteries de votre téléphone. Au lieu de cela, ils comptent sur la décroissance radioactive des éléments pour produire de la chaleur et éventuellement de l'électricité. Bien que ce concept ressemble à celui d'une centrale nucléaire, les RTG fonctionnent sur un principe différent.
La plupart des RTG sont construits en utilisant le plutonium-238 comme source d'énergie, qui n'est pas utilisable pour les centrales nucléaires car elle ne soutient pas les réactions de fission. Au lieu de cela, le plutonium-238 est un élément instable qui subira une désintégration radioactive.
La décroissance radioactive, ou décroissance nucléaire, se produit lorsqu'un noyau atomique instable émet spontanément et au hasard des particules et de l'énergie pour atteindre une configuration plus stable. Ce processus provoque souvent le changement de l'élément en un autre élément, car le noyau peut perdre des protons.
Lorsque le plutonium-238 se désintègre, il émet des particules alpha, qui se composent de deux protons et de deux neutrons. Lorsque le plutonium-238, qui commence par 94 protons, libère une particule alpha, il perd deux protons et se transforme en uranium-234, qui compte 92 protons.
Ces particules alpha interagissent et transfèrent de l'énergie dans le matériau entourant le plutonium, ce qui chauffe ce matériau. La désintégration radioactive du plutonium-238 libère suffisamment d'énergie pour qu'il puisse briller de rouge de sa propre chaleur, et c'est cette chaleur puissante qui est la source d'énergie pour alimenter un RTG.
Chauffer comme puissance
Les générateurs thermoélectriques radio-isotopes peuvent transformer la chaleur en électricité en utilisant un principe appelé The Seebeck Effect, découvert par le scientifique allemand Thomas Seebeck en 1821. En tant que prestation supplémentaire, la chaleur de certains types de RTGS peut aider à maintenir l'électronique et les autres composants d'une mission en profondeur au chaud et bien fonctionner.
Dans sa forme de base, l'effet Seebeck décrit comment deux fils de matériaux conducteurs différents joints dans une boucle produisent un courant dans cette boucle lorsqu'il est exposé à une différence de température.
Les appareils qui utilisent ce principe sont appelés couples thermoélectriques ou thermocouples. Ces thermocouples permettent aux RTG de produire de l'électricité à partir de la différence de température créée par la chaleur de la désintégration du plutonium-238 et du froid glacial de l'espace.
Conception du générateur thermoélectrique radio-isotope
Dans un générateur thermoélectrique de radio-isotope de base, vous avez un récipient de plutonium-238, stocké sous forme de plutonium-dioxyde, souvent dans un état de céramique solide qui offre une sécurité supplémentaire en cas d'accident. Le matériau du plutonium est entouré d'une couche protectrice d'isolation en feuille à laquelle un grand éventail de thermocouples est fixé. L'ensemble est à l'intérieur d'un boîtier de protection en aluminium.
L'intérieur du RTG et un côté des thermocouples est maintenu chaud – à 1 000 ° F (538 ° C) – tandis que l'extérieur du RTG et l'autre côté des thermocouples sont exposés à l'espace. Cette couche extérieure orientée vers l'espace peut être aussi froide que quelques centaines de degrés Fahrenheit en dessous de zéro.
Cette forte différence de température permet à un RTG de transformer la chaleur de la désintégration radioactive en électricité. Cet électricité alimente toutes sortes de vaisseaux spatiaux, des systèmes de communication aux instruments scientifiques aux rovers sur Mars, y compris cinq missions actuelles de la NASA.
Mais ne soyez pas trop excité d'acheter un RTG pour votre maison. Avec la technologie actuelle, ils ne peuvent produire que quelques centaines de watts de puissance. Cela peut suffire à alimenter un ordinateur portable standard, mais pas assez pour jouer à des jeux vidéo avec un GPU puissant.
Pour les missions en espace profond, cependant, ces quelques centaines de watts sont plus que suffisants.
Le véritable avantage des RTG est leur capacité à fournir une puissance prévisible et cohérente. La désintégration radioactive du plutonium est constante – chaque seconde de chaque jour pendant des décennies. Au cours d'environ 90 ans, seulement la moitié du plutonium dans un RTG se sera décomposé. Un RTG ne nécessite aucune pièce mobile pour produire de l'électricité, ce qui les rend beaucoup moins susceptibles de décomposer ou de cesser de travailler.
De plus, ils ont un excellent dossier de sécurité et ils sont conçus pour survivre à leur utilisation normale et sont également en sécurité en cas d'accident.
RTGS en action
Les RTG ont été essentiels au succès de nombreux membres du système solaire de la NASA et des missions en espace en profondeur. La curiosité et la persévérance de Mars et les engins spatiaux New Horizons qui ont visité Pluton en 2015 ont tous utilisé des RTG. New Horizons voyage hors du système solaire, où ses RTG fourniront de la puissance là où les panneaux solaires ne le pouvaient pas.
Cependant, aucune mission ne capture la puissance des RTG tout comme les missions Voyager. La NASA a lancé le spatial jumeau Voyager 1 et Voyager 2 en 1977 pour faire une visite du système solaire extérieur, puis parcourir.
Chaque engin était équipé de trois RTG, offrant un total de 470 watts de puissance au lancement. Cela fait près de 50 ans depuis le lancement des sondes Voyager, et les deux sont toujours des missions scientifiques actives, collectant et renvoyant des données sur Terre.
Voyager 1 et Voyager 2 sont à environ 15,5 milliards de milles et 13 milliards de miles (près de 25 milliards de kilomètres et 21 milliards de kilomètres) de la Terre, respectivement, en faisant des objets les plus éloignés de l'homme de tous les temps. Même à ces distances extrêmes, leurs RTG leur fournissent toujours une puissance cohérente.
Ces vaisseaux spatiaux témoignent de l'ingéniosité des ingénieurs qui ont conçu les RTG pour la première fois au début des années 1960.
