Sources de puissance pour l’exploration

Curiosity est muni d’une source de puissance nucléaire RTG dégageant 2 kW thermique pour 110 w électrique. RTG signifie Radioisotope Thermoelectric Generator ou Générateur Thermoélectrique à Radioisotope en français. Il ne s’agit pas d’un réacteur nucléaire comme dans les centrales électriques terrestres, mais d’un dispositif beaucoup plus simple: un composé radioactif qui se désintègre progressivement dans le temps, envoyant à grande vitesse des particules alpha (noyaux d’hélium) dont le freinage par les matériaux environnants crée une forte augmentation de température.

Une cartouche d’oxyde de plutonium, chauffée au rouge par la transformation de l’énergie cinétique des particules alpha en chaleur (doc DOE)

La chaleur est ensuite transformée en électricité par des thermocouples. Le système est statique mais son rendement est faible de l’ordre de 5%. Ainsi Curiosity dispose d’un RTG de 2 kW thermiques qui ne produit que 110 w électrique. Cela explique entre autres son déplacement lent. Imaginons une voiture qui n’aurait qu’un moteur de 100 W! Fort heureusement la chaleur produite par le RTG peut aussi être transférée par circulation de fluide vers les zones sensibles au froid que l’on veut protéger.

Le RTG de Curiosity sur fond de rempart du cratère Gale avec la dune Namib à droite le 13 décembre 2015. L’oxyde de plutonium est dans le cylindre entouré d’ailettes. Celles-ci servent à dissiper la chaleur pour créer une zone plus froide car les thermocouples ne produisent de l’électricité qu’à partir de la différence de température entre une zone chaude et une zone froide. (Doc. NASA/JPL-Caltech/MSSS/montage APM)

Maquette de RTG type Curiosity. L’oxyde de plutonium est au centre (en rouge). La multitude de petits plots blancs sont les thermocouples qui transforment la chaleur en électricité. (Doc. A. Souchier)

Le RTG avec en arrière plan la base de la dune Namib. On voit sur les ailette à gauche les tuyauteries du système qui capte directement la chaleur pour la distribuer dans le véhicule. Cette captation de chaleur permet d’abaisser encore la température de la zone froide et améliore la production d’électricité.

Curiosity utilise 4,8 kg de d’oxyde de plutonium 238, le plutonium 238 ayant une mi vie de 87,7 ans, ce qui signifie que la puissance sera divisée par deux sur cette période.

D’autres sondes ont été équipées de telles sources de puissance: Voyager, Galileo, Cassini, New Horizons,…Au total 27 missions spatiales US ont fait appel à cette source d’énergie.

Ce sont bien sûr des sources de puissance particulièrement utiles pour les missions lointaines dans le système solaire où la lumière du soleil s’est affaiblie en fonction du carré de la distance. Quant à Mars on obtient une source d’énergie qui ne dépend pas de la poussière, de la nuit ou de l’hiver. Opportunity qui n’a que des panneaux solaires est ainsi en ce moment assigné à résidence sur une pente bien orientée vers le soleil d’hiver.

Aux USA la production de plutonium 238  avait cessé depuis la fin des années 80 et les différentes missions utilisant des RTGs vivait sur un stock qui avait été complété par des achats à la Russie, dernier producteur au monde. A ce jour il restait environ 18 kg d’oxyde de plutonium directement utilisable sur des missions spatiales et en particulier pour le successeur de Curiosity, le rover Mars 2020. New Horizons venait de consommer 10 kg.

Conscient du risque de pénurie, le Department Of Energy (DOE) en charge de la fourniture de l’oxyde de plutonium avait pu relancer les études de production il y a deux ans. La production des premiers 50 g de plutonium 238 vient d’être achevée au laboratoire Oak Ridge ORNL de la DOE dans le Tennessee. La production va continuer au rythme de 300 à 400 g par an (plus de 10 ans pour produire la quantité à bord de Curiosity) avant de monter à 1,5 kg par an.

Le rover Mars 2020, frère de Curiosity, utilisera aussi un RTG comme source de puissance (doc. NASA/JPL-Caltech)

Pour plus d’informations sur les générateurs RTG voir le document NASA “Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG)”,ou les présentations au “Thermoelectric Applications Workshop” de 2011 et 2012.