Les sondes Voyager 1 et 2 ont été lancées en 1977 et 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 watts au lancement, ils sont capables de fonctionner dans l’obscurité de l’espace lointain comme ils le faisaient dans les limites de notre système solaire éclairé. Cependant, puisque rien dans l’univers n’est vraiment infini, ces RTG s’usent également avec le temps, que ce soit à cause de la désintégration naturelle de leur source de rayonnement ou de la dégradation des thermocouples.
Malgré cette diminution progressive de la force, la Nasa Récemment annoncé Que Voyager 2 dispose d’une source d’alimentation de secours encore inconnue qui retarderait de quelques années l’arrêt d’autres instruments scientifiques. Le changement contourne essentiellement le circuit du régulateur de tension et le système d’alimentation de secours associé, libérant ainsi l’énergie consommée pour les instruments scientifiques qui auraient commencé à s’arrêter des années plus tôt.
Bien que ce soit une bonne nouvelle en soi, il convient également de noter que le Multi Hundred Watt (MHW) de Voyager, âgé de 45 ans, est l’ancêtre des RTG qui alimentent toujours la sonde New Horizons 17 ans plus tard, et le Mars Science Laboratory (Curiosity) Depuis plus de 10 ans, la valeur des RTG a été démontrée dans les missions d’exploration à long terme.
Bien que le principe de base du RTG soit assez simple, sa conception a radicalement changé depuis la mise en place du SNAP-3 RTG américain. Traversée Satellite 4B en 1961.
Le besoin de pouvoir
Même sur Terre, il peut être difficile de trouver une source d’énergie fiable qui durera des années, voire des décennies, c’est pourquoi les systèmes nucléaires auxiliaires de la NASA (NASA)populaireLe programme de développement a produit des RTG destinés à une utilisation au sol et dans l’espace, SNAP-3 étant le premier à atteindre l’espace. Le RTG donné ne produisait que 2,5 watts, et les satellites avaient également des panneaux solaires et des batteries NiCd. Mais en tant que banc d’essai spatial RTG, SNAP-3 a jeté les bases des missions successives de la NASA.
SNAP-19 a fourni de l’énergie (environ 30 watts par RTG) pour les atterrisseurs Viking 1 et 2, ainsi que Pioneer 10 et 11. Cinq modules SNAP-27 ont fourni de l’énergie pour les packages Apollo Lunar Surface Experiments (ALSEP) qui ont été laissés sur la surface lunaire par les astronautes Apollo 12, 14, 15, 16 et 17. Chaque SNAP-27 a fourni environ 75 watts à 30 V CC de puissance à partir d’une barre de combustible au plutonium-238 de 3,8 kg d’une puissance nominale de 1250 watts. Dix ans plus tard, 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 au projet Apollo ont cessé en 1977, les ALSEP n’avaient plus que leurs émetteurs opérationnels. Le module SNAP-27 d’Apollo 13 (attaché à l’extérieur du module lunaire) a fait son retour sur Terre, où il reste – intact – au fond de la fosse des Tonga dans l’océan Pacifique.
L’inefficacité relative des RTG était évidente même à l’époque, bien que Snap-10A Expérience démontrant un réacteur à fission intégré de 500 watts dans un satellite propulsé par un moteur ionique qui a facilement surpassé les RTG SNAP. Bien que 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 uniquement 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 pour thermique.
Ces thermocouples sont utilisés Effet Seebeck, l’effet Peltier en sens inverse, pour convertir le gradient de température entre deux matériaux électriquement conducteurs dissemblables en essentiellement un générateur. Une grande partie du défi pour les RTG basés sur des thermocouples consiste à trouver le support le plus efficace et le plus durable. Bien que des RTG à cycle de Rankine, Brayton et Stirling aient également été essayés, ils présentent l’inconvénient évident de déplacer des pièces mécaniques, qui nécessitent des joints et une lubrification.
Compte tenu de la durée de vie estimée à 45 ans du Voyager MHW-RTG Avec des thermocouples silicium-germanium (SiGe) relativement anciens, les inconvénients de l’ajout de composants mécaniques devraient être évidents. Surtout si l’on considère les deux générations de successeurs de MHW RTG à ce jour.
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, intitulé de manière créative Source de chaleur à usage général (RGPHLe RTG a été conçu par la division spatiale de General Electric et a ensuite été utilisé sur les missions Ulysses (1990-2009), Galileo (1989-2003), Cassini-Huygens (1997-2017) et New Horizons (2006-). Chaque GPHS-RTG produit environ 300 watts de puissance électrique à partir d’un thermocouple de 4 400 watts, en utilisant des thermocouples similaires au silicium et au germanium.
Un aspect intéressant ici est que même les rovers martiens à énergie solaire incluent un module radio-isotope, bien que sous la forme d’un module de chauffage radio-isotope (RHU), avec le Rover de séjour La présence de trois de ces RHU, f Esprit et opportunité 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.
Pendant ce temps, le rover Mars actuellement actif, curiosité Et sa double résistance, il obtient l’énergie électrique et la chaleur d’un seul appareil Un générateur thermoélectrique à radio-isotopes multifonctionnel (mmrtg) solitude. Ces ensembles RTG utilisent des paires ferroélectriques 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 de la paire. Le MMRTG est évalué pour jusqu’à 17 durées de vie, mais il est susceptible de surpasser les spécifications de conception par une marge significative comme les MHW-RTG et autres. Le combustible au plutonium-238 avec MMRTG est contenu dans des unités de source de chaleur à usage général (GPHS), qui servent à protéger le combustible contre les dommages.
Principal mode de défaillance Parmi les thermocouples SiGe, le germanium migrait avec le temps, provoquant une sublimation. Cela a été évité dans les conceptions ultérieures en enduisant les thermocouples SiGe de nitrure de silicium. Les thermocouples PbTe / TAGS devraient fournir une stabilité supplémentaire à cet égard, et les MMRTG dans Curiosity et Persistence ont servi de tests de durée dans le monde réel.
problème de carburant
Les sondes Voyager 1 et 2 sont assez à l’écart pour une session d’entretien et de maintenance majeure, la NASA a donc dû faire preuve de créativité pour optimiser la consommation d’énergie. Bien qu’un circuit d’alimentation de secours ait pu être 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 d’observation réelles pour étayer la suggestion selon laquelle il pourrait ne pas être nécessaire, sauf effets exotiques. .
Avec environ 46 ans de données provenant des RTG Voyager, nous pouvons maintenant voir que la stabilité des thermocouples est nécessaire pour maintenir une puissance de sortie constante, car la décroissance plutonium-238 La source de carburant est beaucoup plus facile à modéliser et à prévoir. Maintenant qu’avec les MMRTG, nous pouvons résoudre de nombreux problèmes qui entraînent la détérioration des thermocouples au fil du temps. Le seul composant manquant est le combustible au plutonium-238.
La majeure partie du plutonium-238 dont disposaient les États-Unis provenait du site de Savannah River (SRS) avant de fermer cette installation et ses propres réacteurs en 1988. Ensuite, les États-Unis importaient du plutonium Pu-238 de Russie avant que les stocks de cette dernière ne commencent également à s’épuiser, ce qui a conduit à la position embarrassante des États-Unis à court de ce qui est 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 plutonium-238 est relativement inoffensif pour les matériaux environnants, tout en fournissant de grandes quantités d’énergie thermique.
Avec seulement assez de plutonium-238 pour deux MMRTG sur les rovers Mars actuels et deux autres au-delà, les États-Unis ont Redémarrer maintenant Production de plutonium 238. Bien que le plutonium 238 puisse être créé par plusieurs méthodes différentes, la méthode préférée semble être d’utiliser un stock de neptunium 237 et de l’exposer à des neutrons dans des réacteurs à fission ou des sources de neutrons similaires, pour générer du plutonium 238 par capture de neutrons. Selon la NASA, environ 1,5 kg de plutonium-238 par an devrait suffire à répondre à la demande des futures missions spatiales.
Petit vaisseau spatial dans l’obscurité
Voyageur 1 est actuellement à une distance de 159,14 UA (23,807 milliards de km) de la Terre, et Voyageur 2 Il n’est que légèrement plus proche à 133,03 UA que la Terre. En tant que projet qui a ses racines dans Space Race et qui a fini par vivre après non seulement nombre de ses créateurs, mais aussi la géopolitique de l’époque, c’est peut-être l’une des rares constantes créées par l’homme auxquelles nous pouvons tous nous identifier d’une manière ou d’une autre. mode.
En tant que porteurs des disques d’or qui contiennent l’essence de l’humanité, l’extension de la durée de vie de ces engins spatiaux va au-delà de la simple science qu’ils peuvent faire, dans l’obscurité de l’espace lointain. Avec chaque année supplémentaire, nous pouvons en apprendre un peu plus et voir plus de ce qui attend l’humanité au-delà de la portée de ce système solaire plus ou moins ordinaire.
