19.02.2019

L’alimentation énergétique des engins spatiaux : le rôle du nucléaire

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Par Pierre d'Herbès

Opportunity fut un robot posé sur Mars en 2004 pour une mission de 90 jours. Il tint plus de 14 ans, apportant des informations décisives sur l’environnement martien aux chercheurs. Disparu à la suite d’une tempête de sable de plusieurs mois depuis juin 2018, le robot est officiellement déclaré « absent » depuis le 13 Février 2019. Les conditions de sa disparition soulèvent à nouveau des questions sur l’énergie à utiliser pour renforcer la durabilité d’un engin extra-planétaire. 

Un bilan scientifique prolifique à l'épreuve du climat martien

Opportunity  a parcouru durant son séjour sur Mars 45,16 Km et envoyé 217 564 images sur terre. Doté d’instruments de géologie, il fut aussi le robot qui apporta la preuve d’une ancienne présence d’eau liquide sur Mars. C’est enfin l’engin extra planétaire qui  passa le plus de temps sur cette planète avec la plus grande distance jamais parcourue, surpassant même les engins habités des missions lunaires.

C’est une tempête de sable particulièrement longue qui a causé la disparition d’Opportunity, même si ce phénomène courant sur Mars était intégré dans la conception du robot. Le rapprochement de l’orbite de Mars avec le soleil entraina le réchauffement de la calotte polaire sud provoquant une sublimation du dioxyde de carbone dont elle est constituée. Des courants thermiques se formèrent alors du fait des variations de températures, déclenchant des tempêtes de poussière de sable s'élevant sur des milliers kilomètres, pouvant recouvrir une très grande partie, voire la totalité de la surface de la planète ; même si elles sont d’ordinaire localisées.

La question des sources d'énergie 

 « Opportunity » était alimenté par des panneaux solaires photovoltaïques et pourvu de deux batteries Lithium-Ion. Durant la tempête, la production passa de 645 à 22 watts ; l’engin (ou rover) ne pouvait plus fournir suffisamment d’énergie pour utiliser ses instruments ou se réchauffer (condition vitale sur une planète dont les températures peuvent descendre jusqu’à – 140°) à l’approche de l’hiver martien. Par ailleurs, les panneaux solaires étaient soumis à une attrition progressive du fait de l’accumulation de poussières sur leurs cellules, affaiblissant le rendement.

La question de la durabilité des sources d’énergie alimentant des robots sur Mars s’était déjà posée par le passé, poussant la NASA à alimenter son robot « Curiosity » à l’aide de l’énergie nucléaire. Il est désormais le seul robot en activité sur la planète. Les conditions de la disparition d’Opportunity rappellent les contingences de l’alimentation en énergie de vecteurs spatiaux de tout type, devant soutenir des missions longues, éloignées voire habitées.

L’utilisation de l’atome dans le domaine spatial est ancienne. Telle la sonde Voyager II, lancée en août 1977, et ayant quitté l’héliosphère en 2018 pour rejoindre l’espace interstellaire. Cette mission est alimentée depuis des décennies grâce à l’énergie nucléaire. La technologie utilisée est celle des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes ou GTR. Le procédé repose non pas sur la fission, mais sur la désintégration atomique du plutonium238. Les rayonnements radioactifs libèrent de la chaleur, qui est convertie en électricité à destination de l'alimentation du vecteur. Le procédé, également utilisé par Curiosity, permet de se passer de l’énergie solaire, décroissant au pro-rata de l'éloignement du soleil, notamment au-delà de Jupiter ou bien lors de phénomènes climatiques bloquant sur un astre lambda. L’allonge déduite se mesure alors en années, la période du plutonium238 étant de 90 ans.

Quelle R&D dans le nucléaire spatial ?

La R&D a largement contribué à affermir cette technologie dont le principal point faible était la quantité disponible de plutonium238. Le laboratoire américain Oak Ridge National Laboratory y est parvenu en janvier 2019 en rationalisant la production par l’automatisation du processus. D’autres systèmes sont envisagés, fondés notamment sur la fission. C’est le cas de Kilopower qui repose sur le principe d’une « centrale nucléaire portative ». Nonobstant sa capacité à alimenter un vecteur spatial, la vocation multi-rôles de Kilopower pourrait aussi fournir de l’énergie à des astronautes installant une base avancée sur la Lune ou Mars.

Les champs de recherches sont nombreux, et vont même jusqu’à la fusion, même si les résultats sont attendus sur le moyen et long terme. Dans tous les cas, les efforts sont réels afin d’actualiser et d’améliorer des technologies déjà anciennes afin que l’énergie nucléaire puisse fournir tout son potentiel à l’exploration et à la découverte du cosmos.