À mesure que la science et la technologie progressent, nous demandons à nos missions spatiales de fournir de plus en plus de résultats. Les rovers MSL Curiosity et Perseverance de la NASA illustrent ce fait. La persévérance est un assemblage exceptionnellement exquis de technologies. Ces rovers de pointe ont besoin de beaucoup d’énergie pour remplir leurs tâches, ce qui signifie des sources d’énergie volumineuses et coûteuses.
L’exploration spatiale est une entreprise de plus en plus gourmande en énergie. Les orbiteurs et les missions de survol peuvent accomplir leurs tâches en utilisant l’énergie solaire, au moins aussi loin que Jupiter. Et les moteurs ioniques peuvent emmener des engins spatiaux dans des régions plus éloignées. Mais pour vraiment comprendre les mondes lointains comme les lunes de Jupiter et de Saturne, ou même le plus lointain Pluton, nous devrons éventuellement faire atterrir un rover et/ou un atterrisseur sur eux comme nous l’avons fait sur Mars.
Ces missions nécessitent plus de puissance pour fonctionner, et cela signifie généralement des MMRTG (générateurs thermoélectriques à radio-isotopes multi-missions). Mais ils sont encombrants, lourds et coûteux, trois caractéristiques indésirables pour les engins spatiaux. Chacun coûte plus de 100 millions de dollars. Existe-t-il une meilleure solution ?
Stephen Polly pense que oui.
Polly est chercheuse scientifique aux NanoPower Research Laboratories du Rochester Institute of Technology. Son travail se concentre sur quelque chose dont la plupart d’entre nous n’ont probablement jamais entendu parler : le développement, la croissance, la caractérisation et l’intégration de matériaux III-V par épitaxie en phase vapeur organométallique (MOVPE).
Cette vidéo donne une explication claire de MOVPE. Crédit : Dépôt chimique en phase vapeur : Fonction de base – Nanotechnologie : Cours du fabricant
Bien que cela semble compliqué pour les non-spécialistes, les passionnés de l’espace peuvent facilement comprendre l’idée à laquelle tout son travail a abouti : une manière potentiellement nouvelle d’alimenter les missions spatiales.
Polly travaille sur ce qui pourrait être un moyen révolutionnaire d’alimenter les engins spatiaux lors de longs voyages vers les planètes extérieures. C’est ce qu’on appelle une cellule thermoradiative (TRC), et c’est similaire à un MMRTG. Il utilise un radio-isotope comme source d’énergie.
Polly s’appuie sur une technologie appelée épitaxie en phase vapeur organométallique (MOVPE). Elle utilise des vapeurs chimiques pour produire des films polycristallins minces. C’est un processus industriel utilisé en optoélectronique pour fabriquer des choses comme des diodes électroluminescentes (LED). Le travail de Polly utilise MOVPE pour créer des cellules thermoradiatives (TRC).
Les TRC utilisent un radio-isotope comme le font les MMRTG et sont basés sur la chaleur de la désintégration radioactive, mais il y a une différence. La désintégration chauffe le TRC, qui émet alors de la lumière. La lumière atteint alors une cellule photovoltaïque, qui à son tour produit de l’électricité. C’est un peu comme une combinaison entre un MMRTG et l’énergie solaire.
Mais l’idée de Polly est beaucoup plus petite, et c’est un Saint Graal dans l’ingénierie des engins spatiaux. « Cet appareil, piloté par une source de chaleur radio-isotopique, permettra une augmentation d’un ordre de grandeur de la puissance massique (~30 contre ~3 W/kg) et une diminution de trois ordres de grandeur du volume (~0,2 contre ~212 L) par rapport à un générateur thermique de radio-isotopes multi-missions conventionnel (MMRTG) », a expliqué Polly dans un bref communiqué de presse.
Polly écrit que ces appareils pourraient aider à révolutionner nos activités d’exploration spatiale. Cela pourrait conduire à une prolifération de petits engins spatiaux qui n’ont pas besoin de déployer de grands panneaux solaires ou de transporter des MMRTG volumineux et lourds. Les progrès technologiques réduisent continuellement les charges utiles scientifiques, donc si la source d’alimentation peut se réduire à leurs côtés, les CubeSats pourraient devenir beaucoup plus utiles.
« Cela permettra directement des petites missions satellites vers les planètes extérieures ainsi que des opérations dans des ombres permanentes telles que les cratères lunaires polaires », explique Polly. La première utilisation de la technologie pourrait être une mission sur Uranus. « Nous analyserons un convertisseur thermoradiatif pour alimenter un CubeSat (ou une flotte de CubeSats) qui peut accompagner une mission phare Uranus, effectuant des tâches telles que servir de relais d’informations pour les sondes atmosphériques et obtenir une vue parallaxe de la planète et des lunes. »
Nous sommes tous prêts à voyager – ou du moins nos intellects et notre imagination le sont – lorsque nous envoyons des engins spatiaux dans le système solaire pour explorer la nature. Si le travail de Polly se concrétise et que les engins spatiaux peuvent être construits avec des sources d’énergie plus petites et plus efficaces, le trajet deviendra encore plus intéressant.
L’idée de Polly est une sélection de phase un dans le NIAC, le programme de concepts avancés innovants de la NASA. Il a reçu des fonds pour développer davantage l’idée.