La puissance de réserve de la sonde spatiale Voyager de la NASA et les subtilités des systèmes d’alimentation basés sur RTG

Lancée en 1977, les sondes spatiales Voyager 1 et 2 fonctionnent sans interruption depuis plus de 45 ans, faisant leur chemin de la Terre vers les planètes extérieures de notre système solaire et au-delà. Grâce aux générateurs thermoélectriques à radio-isotopes (RTG) qui ont fourni 470 W au lancement, ils sont capables de fonctionner dans l’obscurité de Deep Space aussi bien qu’ils le faisaient dans les limites de notre système solaire éclairé par le soleil. Pourtant, comme rien dans l’Univers n’est vraiment infini, ces RTG s’usent également avec le temps, à la fois en raison de la désintégration naturelle de leur source radioactive et de la dégradation des thermocouples.

Malgré cette baisse progressive de puissance, la NASA a récemment annoncé que Voyager 2 disposait d’une source de puissance de réserve apparemment inconnue jusqu’à présent qui retarderait de quelques années l’arrêt d’autres instruments scientifiques. Le changement contourne essentiellement un circuit régulateur de tension et le système d’alimentation de secours associé, libérant ainsi l’énergie consommée par celui-ci pour les instruments scientifiques qui, autrement, auraient commencé à s’arrêter des années plus tôt.

Bien que ce soit une bonne nouvelle en soi, il convient également de noter que les RTG de plus de 45 ans de Multi-Hundred Watt (MHW) du Voyager sont les prédécesseurs des RTG qui alimentent toujours la sonde New Horizons après 17 ans, et le Mars Science Laboratory ( Curiosity) depuis plus de 10 ans, montrant la valeur des RTG dans les missions d’exploration à long terme.

Bien que le principe de base d’un RTG soit assez simple, sa conception a considérablement changé depuis que les États-Unis ont installé un SNAP-3 RTG sur le satellite Transit 4B en 1961.

Besoin de puissance

Photo d'un astronaute Apollo d'un SNAP-27 RTG sur la Lune.  (Crédit NASA)
Photo d’un astronaute Apollo d’un SNAP-27 RTG sur la Lune. (Crédit NASA)

Même sur Terre, il peut être difficile de trouver une source d’énergie fiable qui durera des années, voire des décennies, c’est pourquoi le programme de développement des systèmes de puissance auxiliaire nucléaire (SNAP) de la NASA a produit des RTG destinés à une utilisation terrestre et spatiale, avec le SNAP-3 étant le premier à arriver dans l’espace. Ce RTG spécifique ne produisait que 2,5 W, et les satellites avaient également des panneaux solaires et des batteries NiCd. Mais en tant que banc d’essai RTG basé dans l’espace, SNAP-3 a jeté les bases des missions successives de la NASA.

Le SNAP-19 a fourni la puissance (~ 30 W par RTG) pour les atterrisseurs Viking 1 et 2, ainsi que Pioneer 10 et 11. Cinq unités SNAP-27 ont fourni la puissance pour les ensembles d’expériences de surface lunaire Apollo (ALSEP) qui étaient laissé sur la Lune par les astronautes d’Apollo 12, 14, 15, 16 et 17. Chaque unité SNAP-27 a fourni environ 75 W à 30 VDC de puissance à partir de sa barre de combustible au plutonium-238 de 3,8 kg qui a été évaluée à 1 250 W thermiquement. Après dix ans, un SNAP-27 produit toujours plus de 90% de sa puissance électrique nominale, permettant à chaque ALSEP de transmettre des données sur les tremblements de lune et d’autres informations enregistrées par ses instruments aussi longtemps que le budget de puissance le permet.

Au moment où les opérations de soutien du projet Apollo ont été interrompues en 1977, les ALSEP n’avaient plus que leurs émetteurs allumés. L’unité SNAP-27 d’Apollo 13 (attachée à l’extérieur du module lunaire) a fait une rentrée sur Terre, où elle repose toujours – intacte – au fond de la fosse des Tonga dans l’océan Pacifique.

L’inefficacité relative des RTG était déjà évidente à l’époque, avec l’expérience SNAP-10A démontrant un réacteur à fission compact de 500 W dans un satellite à entraînement ionique qui surpassait facilement les RTG SNAP. Bien que beaucoup plus puissants par unité de volume et de combustible nucléaire, les RTG à base de thermocouples ont l’avantage de n’avoir absolument aucune pièce mobile et seulement des exigences de refroidissement passif. Cela leur permet d’être littéralement collés sur une sonde spatiale, un satellite ou un véhicule avec un rayonnement thermique et/ou une convection fournissant le côté froid du thermocouple.

Ces thermocouples utilisent l’effet Seebeck, l’effet Peltier en sens inverse, pour transformer le gradient thermique entre deux matériaux électriquement conducteurs dissemblables en essentiellement un générateur. Une grande partie du défi avec les RTG à base de thermocouple a été de trouver la composition la plus efficace et la plus durable. Bien que des RTG à cycles de Rankine, Brayton et Stirling aient également été expérimentés, ceux-ci présentent le net inconvénient de déplacer des pièces mécaniques, nécessitant des joints et une lubrification.

Si l’on considère la durée de vie de plus de 45 ans des Voyager MHW-RTG avec leurs thermocouples silicium-germanium (SiGe) relativement anciens, les inconvénients de l’ajout de composants mécaniques devraient être évidents. Surtout si l’on considère le MHW RTG deux générations de successeurs jusqu’à présent.

Pas votre RTG des années 1970

Alors que le MHW-RTG de Voyager a été développé spécifiquement pour la mission par la NASA, son successeur, le créatif intitulé source de chaleur à usage général (GPHS) RTG, a été conçu par la division spatiale de General Electric et utilisé par la suite sur les missions Ulysses (1990 – 2009), Galileo (1989 – 2003), Cassini-Huygens (1997 – 2017) et New Horizons (2006 – ). Chaque GPHS-RTG produit environ 300 W de puissance électrique à partir de 4 400 W thermiques, en utilisant des thermocouples silicium-germanium toujours similaires.

Une remarque intéressante ici est que même les rovers martiens à énergie solaire incluent une unité de radio-isotopes, bien que sous la forme d’une unité de chauffage à radio-isotopes (RHU), le Sojourner Rover ayant trois de ces RHU, et Spirit & Opportunity huit RHU chacun. Ces RHU fournissent une source de chaleur constante qui permet d’utiliser l’électricité rare des panneaux solaires et des batteries pour des tâches autres que le fonctionnement des appareils de chauffage.

Le module GPHS fournit une chaleur constante pour un système d'alimentation radio-isotopique.  (Crédit : NASA)
Le module GPHS fournit une chaleur constante pour un système d’alimentation radio-isotopique. (Crédit : NASA)

Pendant ce temps, les rovers martiens actuellement actifs, Curiosity et son jumeau Perseverance, obtiennent à la fois de l’énergie électrique et de la chaleur à partir d’un seul générateur thermoélectrique à radio-isotopes multi-missions (MMRTG). Ces RTG utilisent des couples thermoélectriques PbTe/TAGS, c’est-à-dire un alliage plomb/tellure d’un côté et du tellure (Te), de l’argent (Ag), du germanium (Ge) et de l’antimoine (Sb) de l’autre côté du couple. Le MMRTG est conçu pour une durée de vie allant jusqu’à 17 ans, mais il est susceptible de surpasser ses spécifications de conception par une marge considérable, comme les MHW-RTG et d’autres. Le carburant Pu-238 avec un MMRTG est contenu dans des modules de source de chaleur à usage général (GPHS), qui servent à protéger le carburant contre les dommages.

Le principal mode de défaillance des thermocouples SiGe était la migration du germanium dans le temps, ce qui provoque une sublimation. Cela a été évité dans les conceptions ultérieures en revêtant les thermocouples SiGe de nitrure de silicium. Les thermocouples PbTe / TAGS devraient fournir une stabilité supplémentaire à cet égard, et les MMRTG de Curiosity et Perseverance ont servi de tests de durée dans le monde réel.

Une question de carburant

Les sondes Voyager 1 et 2 sont bien hors de portée pour une grande session de service et de maintenance, la NASA a donc dû faire preuve de créativité pour optimiser la consommation d’énergie. Bien que le circuit d’alimentation de secours ait peut-être été considéré comme une nécessité dans les années 1970 en cas de fluctuations de puissance de l’un des trois RTG sur chaque sonde spatiale, il existe suffisamment de données de surveillance réelles pour étayer la suggestion selon laquelle il pourrait être superflu, sauf influences extraterrestres.

Avec les près de 46 ans de données des RTG Voyager, nous pouvons voir maintenant que la stabilité du thermocouple est essentielle pour maintenir une puissance de sortie constante, la décroissance de la source de combustible au plutonium-238 étant beaucoup plus facile à modéliser et à prévoir. Maintenant qu’avec les unités MMRTG, nous aurions dû résoudre bon nombre des problèmes qui ont causé la dégradation des thermocouples au fil du temps. Le seul ingrédient manquant est le carburant Pu-238.

La plupart du Pu-238 que les États-Unis avaient à l’origine provenaient du site de Savannah River (SRS) avant que cette installation et ses réacteurs spéciaux ne soient fermés en 1988. Après cela, les États-Unis importeraient du Pu-238 de Russie avant que les stocks de cette dernière ne commencent également. à manquer, ce qui conduit à la position délicate des États-Unis à court de ce qui est l’un des meilleurs isotopes radioactifs à utiliser dans les RTG pour les missions de longue durée. Avec une courte demi-vie de 87,7 ans et seulement une désintégration alpha, le Pu-238 est à la fois plutôt inoffensif pour les matériaux environnants, tout en fournissant des quantités importantes de puissance thermique.

Avec seulement assez de Pu-238 pour les deux MMRTG dans les rovers Mars actuels et deux autres après ceux-ci, les États-Unis ont maintenant redémarré la production de Pu-238. Bien que le Pu-238 puisse être créé de différentes manières, la méthode préférée semble être d’utiliser du neptunium-237 stocké et de l’exposer à des neutrons dans des réacteurs à fission ou des sources de neutrons similaires, pour générer du Pu-238 par capture de neutrons. Selon la NASA, environ 1,5 kg de Pu-238 par an devrait suffire à satisfaire la demande des futures missions spatiales.

Un minuscule vaisseau spatial dans le noir

Voyager 1 est actuellement à une distance de 159,14 UA (23,807 milliards de km) de la Terre, et Voyager 2 n’est que légèrement plus proche à 133,03 UA de la Terre. En tant que projet qui a ses racines dans la course à l’espace et qui a fini par survivre non seulement à nombre de ses créateurs, mais aussi à la géopolitique de l’époque, c’est peut-être l’une des rares constantes d’origine humaine auxquelles nous pouvons tous nous identifier dans certains mode.

En tant que porteurs des disques d’or qui contiennent l’essence de l’humanité, prolonger la durée de vie de ces vaisseaux spatiaux va au-delà de la simple science qu’ils peuvent effectuer, dans l’obscurité de Deep Space. Avec chaque année supplémentaire, nous pouvons en apprendre un peu plus et voir un peu plus de ce qui attend l’humanité au-delà des limites de ce système solaire plutôt ordinaire et à l’écart.

François Zipponi
Je suis François Zipponi, éditorialiste pour le site 10-raisons.fr. J'ai commencé ma carrière de journaliste en 2004, et j'ai travaillé pour plusieurs médias français, dont le Monde et Libération. En 2016, j'ai rejoint 10-raisons.fr, un site innovant proposant des articles sous la forme « 10 raisons de... ». En tant qu'éditorialiste, je me suis engagé à fournir un contenu original et pertinent, abordant des sujets variés tels que la politique, l'économie, les sciences, l'histoire, etc. Je m'efforce de toujours traiter les sujets de façon objective et impartiale. Mes articles sont régulièrement partagés sur les réseaux sociaux et j'interviens dans des conférences et des tables rondes autour des thèmes abordés sur 10-raisons.fr.