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Sources de puissance pour l’exploration

par Alain Souchier le 27 décembre 2015

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.

pu238 (1)

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.

Navcam 15 12 13

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)

RTG Space 2015

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)

RTG 15 12 19 b

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.

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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.

Mars Science Laboratory
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Au sujet de l'auteur
Alain Souchier
Diplômé de l’école Centrale Paris en 1970, Alain Souchier a consacré sa carrière aux moteurs à ergols liquides des versions successives du lanceur Ariane à Snecma groupe Safran. Il a ainsi participé à de nombreux lancements en Guyane dont le premier vol Ariane en 1979. Il est entré au Cosmos Club de France d’Albert Ducrocq en 1969 et a assisté aux missions Apollo16, Skylab et Apollo-Soyouz aux USA. Il a accumulé plus d’une heure de microgravité à bord d’avions en vol parabolique et participé à plusieurs missions de simulation d’exploration martienne d’abord dans l’habitat de la Mars Society dans l’Utah (2002 et 2006) puis dans les grottes glaciaires de Dachstein (2012), au Maroc (2013) et sur le glacier de Kaunertal (2015). Il est président de l'association Planète Mars depuis 2010.
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commentaires
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  • YR
    31 décembre 2015 at 16 h 40 min

    100W ça parait peu, mais delivrée sur des dizaines d’années sans maintenance, c’est extraordinaire : par exemple cela correspond à la puissance moyenne utilisée par un corps humain. Y a t-il des recherches en cours pour améliorer le rendement de conversion?

    • Alain Souchier
      31 décembre 2015 at 18 h 29 min

      Amélioration des RTGs
      Le générateur RTG de Curiosity a un rendement de l’ordre de 6%. Des travaux de développement sont en cours pour augmenter le rendement de conversion et corrélativement diminuer la masse spécifique kg/kW de tels systèmes. Il est visé à terme des rendements de 17%. L’amélioration du rendement de conversion est obtenue en augmentant l’écart de température entre source chaude et source froid et en particulier en augmentant la température de la source chaude ce qui exige de nouveaux matériaux en particulier pour les thermocouples.
      Pour plus d’informations sur les générateurs RTG voir le document NASA “Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG)” (http://mars.nasa.gov/msl/files/mep/MMRTG_FactSheet_update_10-2-13.pdf), ou les présentations au “Thermoelectric Applications Workshop de 2011 (http://energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f13/fluerial.pdf) et 2012 (http://energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f10/fleurial.pdf).

  • Dayan
    6 décembre 2016 at 16 h 26 min

    Bonjour Monsieur
    Comme le rover Curiosity tire son énergie de la puissance nucléaire RTG, est-il imaginable que la 1 ère base martienne qui accueillera des astronautes dans les années 2040 … , puisse avoir recours à une petite centrale électrique utilisant l’énergie nucléaire pour produire l’électricité nécessaire à son fonctionnement.
    Est-on en mesure de le dire à présent ?
    Merci pour votre réponse.
    Bonne journée à vous.
    Jacques Dayan

    • Richard Heidmann
      6 décembre 2016 at 18 h 40 min

      oui, c’est ce qui est prévu dans les projets officiels.
      on estime en effet qu’il faudrait environ 50 kW, il est difficile de fournir une telle puissance avec des panneaux solaires dans le contexte de missions temporaires.
      Par contre ce ne sera pas un RTG mais une mini centrale à fission alimentant un turboalternateur. Les RTG sont intéressants du fait qu’ils sont purement statiques, donc très fiables. Mais ils sont très lourds et, dans la pratique, limités à des puissances de 100 à quelques centaines de W : à oublier ici. De plus le Pu238 n’existe pas à l’état naturel et coûte très cher à produire…
      R. Heidmann

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