Générateur thermoélectrique à radioisotope - Définition

Utilisation

La puissance reçue du soleil décroît rapidement — selon une loi en 1/r² — à mesure qu'on s'éloigne du centre du système solaire, ce qui rend très insuffisants les panneaux solaires sur les sondes spatiales destinées à explorer les planètes lointaines : ces sondes sont donc équipées de générateurs à radioisotope afin de prendre le relai des panneaux solaires au-delà de l'orbite de Mars, comme par exemple les sondes Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini, ou encore New Horizons. Ces générateurs permettent également aux robots déposés en surface des planètes de fonctionner la nuit, lorsque les panneaux solaires sont dans l'obscurité : les six Apollo Lunar Surface Experiments Packages déposés sur la Lune utilisent des GTR, tout comme les deux sondes martiennes Viking 1 et 2.

Un générateur thermoélectrique à radioisotope est particulièrement bien adapté à la production d'une alimentation électrique stable, sur une longue durée, et pour maintenir opérationnels pendant plusieurs années les instruments embarqués dans les sondes interplanétaires. Ainsi, le générateur embarqué sur la sonde New Horizons est capable de fournir une alimentation électrique stable de 200 Watts sur plus de 50 ans. Au bout de deux siècles, la puissance tombe à 100 Watts. Cependant, en raison du plutonium présent dans un GTR spatial, tout échec au décollage des lanceurs utilisés pour propulser la sonde présente un risque environnemental.

Les générateurs à isotope ont été principalement conçus pour l'exploration spatiale, mais l'Union soviétique les a utilisés pour alimenter des phares isolés à l'aide de générateurs au strontium 90. Ce dernier est sensiblement moins cher que les autres radioisotopes traditionnels, mais émet presque exclusivement des radiations β, à l'origine d'un fort rayonnement X par Bremsstrahlung. Cela ne posait pas de problème majeur compte tenu du fait que ces installations étaient destinées aux endroits isolés et peu accessibles, où elles fournissaient une source d'énergie très fiable, mais présentait tout de même des risques potentiels en cas d'incident ou de dégradation de ces matériels sans surveillance rapprochée. Du millier de générateurs de ce type, plus aucun n'est aujourd'hui en état de fonctionner à une puissance acceptable suite à l'épuisement du radioisotope. Le strontium 90 a une période radioactive de 28,8 ans (ce qui signifie que la moitié du ⁹⁰Sr subsiste après 28,8 ans, le quart après 57,6 ans...), en se désintégrant par désintégration β⁻ pour donner de l'yttrium 90, qui se désintègre à son tour par émission β avec une demie-vie de 64 heures pour finalement donner du zirconium 90 qui, lui, est stable.

Efficacité énergétique

Les thermocouples utilisés pour convertir en électricité le gradient de température généré par la désintégration des radioisotopes sont particulièrement peu efficaces : entre 3 et 7 % seulement, n'atteignant jamais 10 %. Ces thermocouples sont constitués d'alliages de silicium et de germanium, de tellurure de plomb et de tellurures d'antimoine, de germanium et d'argent (appelés TAGS). Des technologies plus novatrices reposant sur les convertisseurs thermioniques permettraient d'atteindre une efficacité énergétique comprise entre 10 et 20 %, tandis que des expériences recourant à des cellules thermophotovoltaïques, disposées à l'extérieur du générateur à radioisotope classique équipé de thermocouples, pourraient théoriquement permettre d'atteindre des rendements proches de 30 %.

Les générateurs Stirling à radioisotopes (GSR, ou SRG en anglais), utilisant un moteur Stirling pour générer le courant électrique, permettraient d'atteindre une efficacité de 23 %, voire davantage en amplifiant le gradient thermique. Le principal inconvénient de ce dispositif est cependant d'avoir des pièces mécaniques en mouvement, ce qui implique de devoir gérer l'usure et les vibrations de ce système. Dans la mesure où cette technologie permettrait néanmoins de multiplier par quatre le rendement des GTR actuels, elle fait actuellement l'objet de recherches significatives menées conjointement par le DOE et la NASA en vue de développer un générateur Stirling à radioisotope avancé (ASRG) qui pourrait être utilisé par la sonde TiME (proposée pour amerrir sur Titan en 2022), actuellement en phase d'évaluation par la NASA pour la mission TSSM dans le cadre de son programme Discovery.