Des chercheurs européens développent des batteries qui utilisent un isotope radioactif pour alimenter de longues missions dans le système solaire.

Des scientifiques européens développent une sorte de batterie pour les missions spatiales alimentée par des déchets nucléaires. 

L’Agence spatiale européenne (ESA) espère que la technologie lui permettra, d’ici la fin de la décennie, d’exploiter des engins spatiaux qui ne dépendent pas de panneaux solaires et pourront explorer la Lune et les régions lointaines du système solaire sans compter sur équipements de partenaires internationaux.

Lors de la réunion du conseil ministériel de l’ESA à Paris les 22 et 23 novembre, les ministres ont convenu de financer un programme de 29 millions d’euros (30 millions de dollars) appelé European Devices Using Radioisotope Energy (ENDURE). 

Celui-ci vise à développer des unités de chaleur et d’électricité de longue durée alimentées par l’élément radioactif américium-241, à temps pour une série de missions lunaires de l’ESA au début des années 2030.

« Si nous voulons avoir une autonomie dans l’exploration, nous avons besoin de ces capacités », déclare Jason Hatton, co-dirigeant d’ENDURE, basé au Centre européen de recherche et de technologie spatiales (ESTEC) à Noordwijk, aux Pays-Bas. Les ambitions spatiales croissantes de l’ESA signifient qu’elle a besoin de sa propre source d’énergie durable, déclare Hatton.

Élément 241

L’américium, un sous-produit de la désintégration du plutonium, n’a jamais été utilisé comme combustible. Pour les missions où l’énergie solaire ne suffirait pas – soit à cause de l’ombre, soit à cause de la distance du Soleil – l’ESA s’est appuyée sur des partenaires américains ou russes, qui utilisent des batteries au plutonium-238 pour alimenter les missions depuis la course à l’espace. 

La NASA a construit des batteries au plutonium, par exemple, qui ont réchauffé la sonde Huygens lors de sa descente vers la lune Titan de Saturne en 2005. Mais le plutonium-238 a été rare au cours de la dernière décennie et sa production est coûteuse.

Et l’ESA a rompu ses liens avec la Russie après que le pays a envahi l’Ukraine.

 « La situation politique actuelle montre qu’on ne peut pas toujours compter sur des partenaires », déclare Athena Coustenis, astrophysicienne à l’Observatoire de Paris à Meudon, en France, qui préside un comité consultatif de l’ESA qui a soutenu le nouveau programme.

L’absence de source d’énergie a longtemps restreint les missions en solo proposées par les scientifiques européens, et en a limité d’autres. L’agence a vivement ressenti son manque de puissance radio-isotopique en 2014, lorsque sa sonde Philae atterrissant sur une comète était opérationnelle pendant moins de trois jours car elle s’est retrouvée dans un endroit ombragé où ses panneaux solaires étaient inutiles . 

« Pendant des années, les scientifiques européens ont dit que si vous voulez aller loin, ou dans des endroits sombres et froids, il n’y a pas d’autre moyen », explique Coustenis.

Mieux que le plutonium ?

Le gros avantage de l’américium par rapport au plutonium est qu’il est moins cher et plus abondant, réutilisant des déchets qui seraient autrement inutiles, explique Véronique Ferlet-Cavrois, co-responsable de l’initiative ENDURE à l’ESTEC.

Le plutonium-238 est fabriqué dans un processus en deux étapes qui consiste à irradier une cible de neptunium avec des neutrons. 

Des chercheurs du National Nuclear Laboratory (NNL) du gouvernement britannique à Sellafield ont montré que l’américium peut être extrait du combustible nucléaire retraité utilisé dans les centrales électriques civiles et transformé en pastilles de combustible, qui forment le cœur des batteries. 

Une partie du programme ENDURE comprendra l’augmentation de la capacité de production d’américium à ce qui est nécessaire pour les batteries, explique Hatton.

L’américium a une demi-vie plus longue que le plutonium-238, ce qui signifie qu’il dure plus longtemps mais contient moins d’énergie par gramme. 

Mais parce que l’américium est plus facilement disponible, la production d’un watt d’électricité coûte environ un cinquième de ce qu’elle coûte avec du plutonium, explique Markus Landgraf, qui coordonne les travaux sur les futures missions lunaires à l’ESTEC.

Au cours des trois prochaines années, l’équipe ENDURE développera des prototypes en modèles pouvant être testés dans des conditions de mission, en tant que précurseurs de dispositifs utilisables. 

En collaboration avec NNL, une équipe de l’Université de Leicester, au Royaume-Uni, a développé deux types d’appareils : une unité de chauffage à radio-isotopes, qui réchauffe les instruments grâce à la chaleur produite dans l’américium en décomposition, et des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes (RTG), qui utilisent le chaleur pour produire de l’électricité en créant une différence de température entre les plaques de métal.

Les chercheurs ont conçu les deux types d’appareils pour tenir compte du volume plus élevé d’américium pour une puissance de sortie donnée et des températures plus froides par rapport au plutonium, explique Richard Ambrosi, physicien et spécialiste des systèmes d’énergie spatiale, qui dirige l’équipe de l’Université de Leicester.

La sécurité est également cruciale, en raison de l’utilisation de matières radioactives. Les unités sont encapsulées dans des couches comprenant un alliage de platine, qui scellent l’américium tout en permettant à la chaleur de s’échapper, dit-il. 

La prochaine phase du programme se concentrera sur les tests de sécurité, afin que les unités d’américium puissent être certifiées pour le lancement. Les tests comprendront la surveillance du comportement des composants à haute température et sous impact – par exemple, lors d’une explosion sur la rampe de lancement – pour s’assurer que les matières radioactives ne fuiraient pas.

 « Nous devons être capables de survivre à un ensemble important de scénarios très extrêmes », déclare Ambrosi.

Piles sur la Lune

Une fois développé, le même système d’alimentation de base pourrait être réutilisé pour toutes les missions où l’énergie solaire n’est pas disponible, explique Ferlet-Cavrois. 

C’est le cas lors des nuits sur la Lune, qui durent 14 jours terrestres, et lors des expéditions dans le système solaire au-delà de Jupiter. Pour survivre à la dure nuit lunaire, le rover lunaire actif de la Chine, Chang’e-4, utilise des unités de chauffage au plutonium construites en collaboration avec la Russie.

La première cible de l’ESA pour le lancement de sources d’énergie à l’américium est son atterrisseur Argonaut Moon, dont le lancement est prévu au début des années 2030. 

Les missions Argonaut mèneraient de longues études sur la surface lunaire et soutiendraient les astronautes qui y travaillent, explique Landgraf. Et dans les années 2040, l’ESA espère propulser une mission vers les géantes des glaces Uranus et Neptune , précise Ferlet-Cavrois. Ces planètes n’ont été étudiées que lors des survols de la sonde Voyager 2 de la NASA dans les années 1980.

La disponibilité de l’américium et les défis liés à la production de plutonium-238 signifient que la NASA pourrait également vouloir l’u

tiliser, explique Landgraf. L’agence évalue sa capacité à produire suffisamment de RTG pour ses prochaines missions. Pour son programme Artemis , qui vise à établir une présence à long terme sur la Lune,

« ils considèrent notre américium très intéressant », dit-il.

Il a fallu plus d’une décennie de recherche pour amener la technologie de l’américium au stade où elle peut être développée pour de vraies missions, dit Ambrosi.

 « L’excitation est en fait assez palpable en ce moment. Nous y travaillons depuis longtemps », dit-il.

doi : https://doi.org/10.1038/d41586-022-04247-6