La puissance des rovers

Dec 24, 2023

14 novembre 2022

Narrateur : Comment les rovers de la NASA s'alimentent-ils sur Mars ?

(musique)

Narrateur : Les deux principales options sont l'énergie solaire et l'énergie nucléaire. Les trois premiers rovers martiens de la NASA - Sojourner, Spirit et Opportunity - utilisaient des panneaux solaires pour recueillir l'énergie lumineuse, ou photons, du Soleil. Les rovers explorant Mars aujourd'hui - Curiosity et Perseverance - utilisent un système appelé "Générateur thermoélectrique à radio-isotopes" ou RTG.

Sabah Bux : Oui, parce qu'ici sur Terre, nous pouvons nous brancher. Sur Mars, nous n'avons nulle part où nous brancher.

Narrateur : C'est Sabah Bux, une technologue basée au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud.

Sabah Bux : Je travaille pour le programme Radioisotope Power Systems de la NASA, qui est un partenariat entre la NASA et le Département américain de l'énergie.

[0:52] Narrateur : Le ministère de l'Énergie fournit à la NASA des RTG pour les engins spatiaux, y compris ceux utilisés pour les rovers Curiosity et Perseverance. Le RTG contient du dioxyde de plutonium, qui est principalement du plutonium-238, un isotope radioactif, ou "radio-isotope", qui est conçu pour avoir un déséquilibre dans le nombre de protons et de neutrons dans le noyau de chaque atome. Dans une quête pour rétablir la stabilité, les atomes libèrent des particules dans un processus connu sous le nom de "désintégration", au cours duquel le matériau émet un flux constant de chaleur.

Sabah Bux : La façon dont le RTG fonctionne est que le plutonium-238, c'est juste une roche chaude. Et nous prenons cette chaleur et nous la convertissons en électricité. Donc, c'est similaire au fonctionnement d'une cellule solaire, où une cellule solaire vous éclaire et vous obtenez de l'électricité. Eh bien, dans le générateur thermoélectrique à radio-isotopes, il prend la chaleur du plutonium et la convertit en électricité utile.

Narrateur : Une partie de la chaleur de la roche chaude de près de 11 livres de Curiosity and Perseverance circule également dans les rovers.

[2:01] Sabah Bux : Mars devient très froid, et le RTG est à l'arrière, un peu comme la queue du rover. Il y a donc des caloducs qui tirent la chaleur du RTG et la distribuent sur le rover pour le garder au chaud. Le côté rejet, ou le côté froid, du RTG est d'environ 200 degrés C, il y a donc beaucoup de chaleur pour garder le rover bien au chaud.

(musique)

Narrateur : Le fréon liquide agit comme du « sang » qui pompe à travers un réseau complexe de tubes et capte la chaleur lorsqu'il passe par le RTG. Ce système circulatoire garde les torses du rover Curiosity et Perseverance de la taille d'une voiture au chaud, mais leurs extrémités - comme un bras qui tient une perceuse - ont toujours besoin de radiateurs séparés pour qu'ils ne gèlent pas à des températures qui, en hiver, peuvent descendre jusqu'à moins 120. degrés Celsius, soit moins 184 degrés Fahrenheit.

Alors que le Sojourner de la taille d'un four à micro-ondes et les rovers Spirit et Opportunity de la taille d'une voiturette de golf étaient principalement alimentés à l'énergie solaire, ils disposaient également d'une source d'énergie nucléaire - un cœur battant, pourrait-on dire, qui les défendait contre le froid martien glacial.

[3:13] Sabah Bux : Sojourner et Spirit et Opportunity, ils avaient tous des RHU, des unités de chauffage par radio-isotopes. Et ce qu'ils sont, c'est un petit morceau de plutonium pour les garder au chaud dans l'étendue froide de Mars, comme un petit chauffe-mains.

Narrateur : Ces chauffe-mains au plutonium étaient chacun plus petits qu'une gomme à crayon, mais ils étaient de grands économiseurs d'énergie pour ces missions. Plutôt que d'utiliser de l'énergie pour faire fonctionner de nombreux appareils de chauffage, la précieuse énergie électrique du rover pourrait être utilisée pour d'autres activités, comme conduire et prendre des photos à renvoyer sur Terre.

Une autre "source d'énergie" pour les rovers martiens sont les personnes qui y travaillent : des équipes de milliers de personnes ont supervisé tous les aspects des missions, depuis les premiers jours de la conception de ce que sera un rover, jusqu'au dernier jour où un rover peut conduire plus. Les équipes travaillent de longues heures, jour après jour, s'attaquant souvent à plusieurs problèmes à la fois pour faire fonctionner un rover.

[4:17] Les missions vers Mars sont non seulement difficiles à construire et à exploiter, mais les gens risquent de passer une grande partie de leur carrière sur un projet qui soit ne finit jamais par se lancer sur Mars, soit échoue en essayant d'y arriver. Par exemple, en 1999, le programme Mars de la NASA a perdu à la fois le Mars Climate Orbiter (non nucléaire) et le Mars Polar Lander juste au moment où ils ont atteint Mars.

Jeffrey Kaye, journaliste de PBS NewsHour : À ce stade, les ingénieurs ne savent pas si le silence de l'atterrisseur est le résultat d'une défaillance technique évitable, ou de la malchance et de la difficulté d'atterrir sur une surface inconnue - peut-être sablonneuse, peut-être rocheuse - 157 millions kilomètres de la Terre. Les futures missions spatiales, actuellement en cours de construction par des équipes du JPL et de Lockheed Martin, devraient faire l'objet d'un examen plus approfondi en raison des échecs de l'orbiteur et de l'atterrisseur.

[5:08] Narrateur : Bien que décourageants, de tels échecs peuvent fournir des leçons précieuses, ainsi qu'une motivation pour faire mieux. Voici Shonte Tucker, un ingénieur du JPL qui a travaillé sur la mission martienne qui a suivi ces pertes : les rovers jumeaux Spirit et Opportunity qui devaient voler vers Mars en 2003.

Shonte Tucker : Nous nous disons : « Cela doit fonctionner. Tout le monde, tout est sur le pont. Nous allons nous rassembler, nous allons nous rassembler et nous allons mener cette chose jusqu'à la fin. doubler." Et tout le monde avait cette attitude, avait cet esprit, et nous grinçions. Nous travaillions de nombreuses heures. C'est comme, "D'accord, nous construisons un rover. Euh, nous en construisons deux ? Oh, oh. Et tu le veux pour quand ?" Et nous sommes comme, "D'accord, faisons-le." Et donc, vous aviez des gens qui travaillaient dans l'atelier d'usinage 24 heures sur 24, vous aviez des gens qui travaillaient si dur, et cela vous a facilité le travail, parce que vous saviez que vous étiez totalement dedans avec tout le monde.

[6:02] (musique d'introduction)

Narrateur : Bienvenue dans "On a Mission", un podcast du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Je suis Leslie Mullen. Dans cette quatrième saison, nous avons suivi les traces des rovers sur Mars.

Il s'agit de l'épisode 10 : Le Pouvoir des Rovers.

(musique)

Narrateur : Qu'ils tirent leur énergie de la lumière du soleil ou de la chaleur des radio-isotopes, les rovers martiens doivent souvent s'éteindre. Voici l'ingénieur en chef du JPL, Rob Manning.

[7:07] Rob Manning : Quand vous n'avez pas assez d'électricité, vous devez vous accroupir et être comme des ours et hiberner. Chaque nuit, chaque fois que le rover se met en veille, il éteint à peu près tout, y compris l'ordinateur.

Tous nos autres engins spatiaux, comme par exemple, Voyager, des missions dans l'espace lointain que nous avons pu rendre le véhicule à peu près stable dans le sens où il se trouve là dans l'espace. Le récepteur est allumé. Les radiateurs sont allumés. La puissance est constante à partir des générateurs thermoélectriques radio-isotopes (pause) - ne roule pas sur la langue - fournissant un flux constant de puissance, pas beaucoup de puissance. Mais à tout moment, si vous vouliez parler au véhicule, vous pouviez lui envoyer une commande. Et il vous entendra. Et il répondra, la plupart du temps.

Nos véhicules ne peuvent pas faire cela, car l'énergie n'est pas disponible sur Mars au même degré, et la quantité d'énergie nécessaire pour communiquer est tellement plus grande. Nos véhicules sont vraiment actifs par intermittence. Nos véhicules fonctionnent entre 4 et 10 heures par jour. C'est ça. La plupart du temps, ils sont absents. Qui fait ça ?

[8:08] Narrateur : Il est logique qu'un rover à énergie solaire se lève et se repose avec le Soleil, mais pourquoi un rover avec un RTG aurait-il jamais besoin de s'endormir ? C'est parce que le fonctionnement d'un rover nécessite souvent plus d'énergie que ce qui peut être généré sur le moment, ou même stocké dans une batterie.

Rob Manning : Qu'il s'agisse d'énergie solaire ou RTG - Spirit and Opportunity et Curiosity and Perseverance - ce sont tous des véhicules fonctionnant essentiellement sur batterie. Ils fonctionnent avec des piles rechargeables, et ces piles sont chargées via un autre mécanisme qui fournit une charge progressive. Dans le cas du RTG, il s'agit d'une charge progressive, à hauteur de 100 watts, essayant tout le temps de jeter de l'électricité dans ces batteries pour les maintenir chargées. Mais lorsque nous utilisons le rover, nous déchargeons la batterie plus rapidement qu'elle n'est chargée.

[8:59] Pareil avec l'énergie solaire. Les véhicules à énergie solaire, bien qu'ils reçoivent cette belle poussée d'énergie du Soleil au milieu de la journée, la majeure partie de cette énergie, même si le rover peut également être allumé, est pompée dans la batterie pour la maintenir en marche. Donc, l'idée est que vous vous rechargez et que vous consommez votre énergie à partir de la batterie. Et c'est pourquoi ces véhicules peuvent fonctionner à n'importe quel moment de la journée, c'est juste qu'ils ne peuvent pas fonctionner très longtemps.

Narrateur : Différentes équipes d'instruments de rover doivent négocier le moment où elles doivent utiliser leurs outils, en grande partie en fonction des réserves de puissance du rover. Certains instruments consomment plus d'énergie que d'autres - par exemple, l'instrument SAM de Curiosity, qui vaporise des échantillons de roche pour voir de quoi ils sont faits, utilise tellement d'énergie que le rover est à l'arrêt lorsqu'il est allumé.

(effets sonores : bips d'ordinateur et zap électrique)

Narrateur : Le premier rover martien, Sojourner en 1997, n'avait pas beaucoup d'instruments. Son objectif était de prouver qu'il était possible de conduire un rover sur Mars. Lors de la conception de Sojourner, certains ingénieurs pensaient qu'il devrait être branché sur l'atterrisseur Pathfinder qui l'a transporté sur Mars, car l'atterrisseur beaucoup plus grand générait et stockait plus d'énergie. Mais finalement, il a été décidé que Sojourner devait se déplacer librement et ne pas être tenu en laisse jusqu'à l'atterrisseur.

[10:19] Shonte était un étudiant stagiaire lorsque le système d'alimentation de Sojourner était en cours de développement.

Shonte Tucker: Il y avait des travaux en cours pour essayer de déterminer la puissance que le rover pourrait obtenir d'une cellule solaire si elle était partiellement recouverte de poussière. Ma mission consistait donc littéralement à prendre une boîte de garde-robe, un petit ventilateur à muffins, une lumière pour simuler le soleil, une petite cellule solaire et j'avais une petite bouteille à presser remplie de poussière de brique.

Alors j'ai pris cette boîte de garde-robe, j'ai découpé un trou dans le haut et j'y ai placé la lampe pour qu'elle agisse comme le soleil. Au fond se trouvait une petite cellule solaire. Sur le côté, j'avais une découpe dans laquelle était branché un ventilateur à muffins, et j'avais un trou sur le côté opposé dans lequel j'ai collé la buse de la bouteille compressible, et j'ai juste pressé jusqu'à ce que je puisse sortir la poussière de brique , et il tourbillonnerait, et il atterrirait sur cette cellule solaire en bas.

(piste d'effets sonores avec description : boîte de coupe, bourdonnement léger, ventilateur, bouteille à presser)

[11:26] Shonte Tucker : Et nous avons mesuré la quantité de courant que nous avons pu tirer de cette cellule solaire pour essayer d'avoir une idée, à quel moment avez-vous tellement de couverture que vous n'en tirez aucune plus de courant de cette cellule solaire ?

Nous n'essayions pas d'obtenir de vrais chiffres, du genre "Nous allons construire un rover basé sur ce que nous découvrirons grâce à cette petite cellule solaire au bas de cette boîte." Mais c'était une de ces choses comme – est-ce un, ou est-ce une centaine ? - Type de travail. Et je pensais juste que c'était tellement cool. C'est tellement loin de la boîte. Vous faites juste des choses qui n'ont jamais été faites auparavant, et vous vous dites simplement : "Hé, eh bien, nous avons une boîte, nous avons de la poussière, hein, c'est assez proche - voyons ce qui se passe." Vous savez, est-ce vraiment représentatif de la façon dont la poussière tomberait sur la cellule solaire ? À cette époque, il n'y avait pas vraiment autant d'informations que nous en avons maintenant. Et donc, nous essayions vraiment de comprendre des choses.

[12:13] Narrateur : Utiliser une boîte pour sortir des sentiers battus a fait appel à l'amour de Shonte pour la résolution de problèmes.

Shonte Tucker : Je veux être dans une réunion où les gens sont au tableau blanc et ils se grattent la tête et ils n'ont aucune idée de la prochaine étape. Et puis quelqu'un lance une idée, puis les gens commencent à courir avec, puis quelqu'un d'autre lance une autre idée. Et avant que vous ne le sachiez, nous avons une solution viable. Et le simple fait de voir ce type de travail se produire si activement est quelque chose que j'apprécie vraiment, vraiment. Je me souviens d'avoir regardé le film Apollo 13 et d'avoir vu des gens se demander : « Comment allons-nous faire pour que ça marche ?

Film Apollo 13 : Problèmes d'alimentation : John Aaron : Nous devons tout éteindre. Maintenant. Ils n'arriveront pas à rentrer. Gene Krantz : Qu'est-ce que tu veux dire par tout ? John Aaron : Avec tout, le LEM tire 60 ampères. A ce rythme, en 16 heures les batteries sont mortes, pas 45. Et l'équipage aussi. Nous devons les réduire à 12 ampères. Ingénieurs de la salle de contrôle des opérations de mission : Whoa. 12 ampères ! Combien ? Vous ne pouvez pas faire fonctionner un aspirateur avec 12 ampères, John. John Aaron : Nous devons éteindre les radars, le chauffage de la cabine, les écrans d'instruments, l'ordinateur de guidage, tout le smash. Ordinateur de guidage. Et s'ils ont besoin de faire une autre brûlure? Gene, ils ne sauront même pas dans quelle direction ils sont pointés. John Aaron : Plus nous parlons ici, plus ils gaspillent de jus là-haut...

[13:15] (musique)

Narrateur : Shonte a grandi juste en bas de la rue de JPL, à Altadena, en Californie. Avant de devenir stagiaire, elle a appris à naviguer dans l'une des structures de pouvoir les plus perfides jamais connues : le lycée.

Shonte Tucker: J'étais dans une école où il n'y avait pas beaucoup de diversité et, au fur et à mesure que je passais dans des cours de mathématiques plus difficiles, il y avait des moments où j'étais le seul enfant noir de la classe. Et il y avait des moments où je me sentais juste très seul. En y repensant maintenant, je n'ai pas pleinement compris qu'il s'agissait d'une représentation de ce à quoi allait ressembler mon éducation alors que je continuais sur la voie de l'obtention d'un diplôme d'ingénieur. C'était donc un peu difficile.

[14:02] Et en entrant au lycée, j'ai été victime d'intimidation et j'en suis arrivé à un point où j'ai payé pour être protégé. J'étais comme, "D'accord, c'est un peu effrayant." C'était juste horrible. Et alors j'ai dit: "Eh bien, voyons voir ici. Que puis-je faire?" Et je me dis, "Je vais me lier d'amitié avec les joueurs de football. Je vais me lier d'amitié avec les gros joueurs qui sont sur la ligne offensive et la ligne défensive." Je me suis donc lié d'amitié avec environ trois d'entre eux, et tous les jeudis soirs, pendant le spectacle de Cosby, j'étais dans la cuisine, faisant des brownies et mélangeant du Gatorade, et je le leur ai apporté juste avant le match, et ils m'ont protégé. C'était génial. Ils ont reconnu que j'étais leur approvisionnement, ce qui signifiait que personne ne pouvait jouer avec l'approvisionnement. Et donc, c'est là que j'ai réalisé que, vous savez, parfois, vous devez sortir des sentiers battus, très loin des sentiers battus, pour résoudre vos problèmes.

Narrateur : Autorisé par cette alliance, Shonte a apprécié le lycée. Mais lorsqu'elle a postulé à l'université, elle s'est de nouveau sentie pointée du doigt.

Shonte Tucker : Ce qui m'a fait très mal à l'époque, c'est que ma lettre d'acceptation disait : « Félicitations. Vous avez été accepté à l'UC San Diego dans le cadre de notre programme d'action positive pour les étudiants.

[15:09] Et je me disais : "Mais mes notes sont bien meilleures, et mes résultats aux tests, mes recommandations et toutes ces choses sont bien meilleures que certains de mes amis blancs qui sont entrés sans hébergement spécial." Et, "S'il n'y avait aucun mandat en place qui les obligeait à m'accepter, m'auraient-ils accepté, même si je suis plus que qualifié pour être là?" Au point où j'ai été directement admis au département d'ingénierie; Je n'ai même pas eu à passer le stage… tu sais, après un certain nombre de cours, tu as un 2.5 ou 2.0, et maintenant tu peux entrer dans le département. Je n'ai même pas eu à passer par là. Ils m'ont accepté tout de suite. Et je me suis dit : "Si j'ai assez de talent pour faire toutes ces choses, et que je dépasse toutes ces exigences, et que j'ai une longueur d'avance sur mes amis qui sont là, pourquoi est-ce le seul raison?"

[15:58] Alors, j'ai dit à ma mère : "Je ne veux pas aller à l'école là-bas. Ils m'emmènent seulement parce qu'ils le doivent !" Et ma mère m'a dit : "Tu vois combien d'argent ils te donnent ? Oh, tu y vas." (rires) Et j'y suis allé, et vous savez, j'ai eu beaucoup de chance dans les expériences que j'ai vécues là-bas. Et c'est là que j'ai trouvé une communauté : la National Society of Black Engineers. Et je me dis : "C'est génial. C'est tellement agréable d'avoir un groupe d'affinité que je peux juste respirer. Je peux laisser tomber mes épaules. Et je n'ai pas à me sentir aussi différent que je me sens assis en classe tous les jours ."

C'était vraiment un réveil. Et je repense à cette lettre et je me dis, ça craint vraiment que ce soit la seule raison pour laquelle je suis entré. Mais j'ai appris de ma mère que peu importe comment on franchit la porte. Peu importe ce que vous faites de l'autre côté.

Narrateur : Shonte savait depuis sa tournée JPL à l'âge de 10 ans qu'elle voulait concevoir un vaisseau spatial un jour. Elle a donc fait un stage au Lab chaque été pendant ses études collégiales, et les différents stages l'ont conduite aux systèmes d'alimentation.

[16:58] Shonte Tucker : Un été, j'ai fait des tests thermiques. Il y avait un interrupteur d'alimentation à semi-conducteurs pour le vaisseau spatial Cassini, et ils voulaient augmenter la température et abaisser la température pour cycler l'environnement dans lequel l'interrupteur se trouvait, pour voir si au fil du temps, s'il tombait en panne parce qu'il était cyclé ainsi beaucoup et les pièces commencent juste à s'effondrer. Et j'étais comme, "Wow, j'aime vraiment ça."

Et à cette époque, j'étais en deuxième année à l'UC San Diego et en génie mécanique. Et c'est là que j'ai commencé à prendre la thermodynamique, l'année suivante, en prenant le transfert de chaleur. Et je viens de réaliser que s'il faisait chaud et que ça coulait, comme la mécanique des fluides, des choses comme ça, je m'y suis vraiment pris et j'ai vraiment apprécié. Et donc, j'ai continué à suivre ces cours et j'ai commencé à me tourner vers des devoirs qui avaient un peu plus de sciences thermiques. J'ai commencé à en apprendre davantage sur les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes et le cycle thermodynamique qui leur est associé. Et je pensais juste que c'était tellement cool. Et j'ai réalisé de plus en plus que c'était là que se trouvait mon intérêt.

[18:00] Et donc, mon projet de thèse a fini par être une cellule de conversion thermique-électrique en métal alcalin, une cellule AMTEC, qui prend la chaleur d'un côté et la convertit en électricité que vous pourriez utiliser lors d'une mission de vol. La technologie est totalement morte maintenant, et je n'ai pas pu l'utiliser comme je l'espérais. (des rires)

Narrateur : L'étude des possibilités énergétiques de différentes réactions chimiques a contribué à l'évolution de la puissance des rovers. Pour le rover Sojourner et l'atterrisseur Pathfinder, le type de batteries chimiques disponibles à l'époque déterminait la durée de la mission. Revoilà Rob Manning.

Rob Manning : Du début au milieu des années 90, nous n'avions pas de technologie de batterie lithium-ion. Little Sojourner, c'était une batterie lithium-thionyle, mais l'atterrisseur Pathfinder avait une batterie argent-zinc - à peu près une batterie très démodée souvent utilisée dans les applications automobiles. Et ces piles n'ont été utilisées qu'une seule fois. Nous les appelons des batteries primaires - vous les déchargez et lorsque vous avez terminé, il n'y a plus d'énergie stockée. Cette batterie n'était pas vraiment destinée à être rechargée. Nous avions l'habitude de l'appeler une "batterie presque rechargeable". Nous avons donc essayé de le recharger.

[19:10] Je ne sais pas si vous vous souvenez de l'époque où vous aviez des piles rechargeables, vous achetiez ce petit chargeur dans lequel vous mettiez vos petites piles AA qui étaient censées être rechargeables. Et vous les branchez et vous en tirez un peu plus d'énergie, et chaque fois que vous le faites, ils s'aggravent de plus en plus. Et très vite, les piles, tu les as jetées à la poubelle. C'est un peu la situation pour Pathfinder. Après environ un mois, notre batterie était quasiment inutilisable.

Narrateur : Une fois la batterie de Pathfinder épuisée, les radiateurs de l'atterrisseur ne pouvaient fonctionner que lorsque l'énergie provenait des panneaux solaires pendant la journée. La nuit, Pathfinder était à la merci du froid martien.

Rob Manning : Lorsque la batterie de Pathfinder est morte, toute l'énergie provenait du panneau solaire. Et nous devions nous réveiller sur un panneau solaire le matin et essayer de fonctionner pendant cette partie solaire maximale de la journée. Sojourner a fait la même chose, cependant, lorsque le soleil s'est couché, Sojourner peut rester au chaud avec sa propre source de chaleur interne. Pathfinder n'avait pas de source de chaleur, alors Pathfinder est devenu de plus en plus froid et de plus en plus froid. Et ainsi, après 87 jours, Pathfinder a rendu l'âme.

[20:09] (musique)

Narrateur : La fin de Pathfinder – longtemps après sa durée de vie prévue de 30 jours – a également mis fin à la mission de Sojourner. Le rover avait besoin de l'atterrisseur pour relayer ses messages, car Sojourner n'avait pas assez de puissance pour parler directement à la Terre.

Les prochains rovers martiens, Spirit et Opportunity, avaient des batteries plus avancées et leurs panneaux solaires produisaient suffisamment d'énergie pour envoyer et recevoir des communications sans l'aide d'un atterrisseur. Mais la puissance des rovers était encore extrêmement limitée, comme Shonte le découvrirait. Maintenant employée dans la section thermique et propulsion du JPL, l'une de ses tâches pour Spirit et Opportunity était de développer des réchauffeurs pour les pièces qui n'étaient pas maintenues au chaud par les RHU au plutonium du rover.

[20:58] Shonte Tucker : Par exemple, nous avions le mécanisme de levage du rover. J'ai parlé avec l'un des ingénieurs. J'ai dit : « Selon vous, de combien d'énergie avons-nous besoin pour maintenir le mécanisme de levage du rover à la bonne température, de sorte que lorsque nous atterrirons sur Mars, il ne fera pas trop froid pour l'actionner – vous savez, nous pouvons faire ce qui est nécessaire pour lui permettre de fonctionner - et il se lèvera réellement et laissera le rover partir ?"

Narrateur : Juste après l'atterrissage sur Mars, les rovers étaient encore enfermés dans des plates-formes d'atterrissage. Les plates-formes devaient s'ouvrir, puis le mécanisme de levage du rover libérerait le rover de ses retenues dans l'atterrisseur et soulèverait le rover pour que ses roues puissent se déplier de leur position de rangement. Ce n'est qu'alors que le rover pourrait quitter la plate-forme et se rendre sur Mars.

Shonte Tucker : Et l'ingénieur du genre, "D'accord, c'est la quantité d'énergie dont nous avons besoin." Alors je me dis, "D'accord, c'est super." Alors maintenant, sachant combien d'énergie est nécessaire et combien de tension de bus nous obtenons, je peux aller concevoir un appareil de chauffage. Et sachant combien d'espace je dois travailler pour installer un appareil de chauffage, je peux commencer à concevoir la taille de cet appareil de chauffage. Et sachant combien de puissance est nécessaire, je peux dimensionner la résistance de cet appareil de chauffage pour fournir cette quantité de puissance lorsque le bus s'allume et délivre la tension.

[22:07] (effet sonore : grésillement de tension électrique)

Shonte Tucker : Alors maintenant, vous devez aller parler aux autres ingénieurs système et vous assurer qu'ils nous laisseront ce pouvoir. Et je me dis, "Eh bien, bien sûr, ils vont nous laisser le pouvoir. C'est ce dont nous avons besoin. Je veux dire, c'est le mécanisme de levage du rover. Si le mécanisme de levage du rover ne fonctionne pas, nous "Je ne descends pas de l'atterrisseur. Ils vont sûrement nous donner exactement ce que nous demandons."

Et donc, je suis allé à la réunion de puissance en disant: "Hé, c'est la quantité de puissance dont nous avons besoin pour le mécanisme de levage du rover." Ils ont dit: "C'est trop. Vous ne pouvez pas l'avoir." Je suis comme, "W-qu'est-ce que tu veux dire? C'est la puissance dont nous avons calculé que nous avons besoin." Et ils ont dit : "Eh bien, faites-le fonctionner pour 35 % d'énergie en moins." Et je suis comme, "Tu te moques de moi?" (rires) Ce fut un moment bouleversant dans ma carrière.

Alors je suis allé parler à l'ingénieur, je lui ai dit ce qui s'était passé. Et quand il a repris son souffle et s'est levé du sol, nous avons compris comment nous allions essayer de faire en sorte que cela fonctionne.

[22:59] Nous devions vraiment aiguiser le crayon et dire : « Avons-nous vraiment besoin d'autant ? Et, que se passe-t-il si nous avons une couverture dans cette zone, ou si nous rendons cette zone plus chaude, et que le mécanisme de levage peut être ne devient pas aussi froid parce que c'est plus proche des choses qui sont plus chaudes." Et penser davantage à l'environnement dans lequel il se trouve, et vraiment déterminer si nous étions trop conservateurs dans nos hypothèses pour l'environnement. Et donc peut-être que nous n'avions pas besoin d'autant de chaleur, et espérons le meilleur.

Et honnêtement, nous étions très nerveux, mais ce qui nous a aidés, c'est que nous savions que nous allions le tester. Et lors des tests, nous aurions l'occasion de voir si nous appliquions suffisamment de puissance pour maintenir ce mécanisme de rover à la bonne température. Et donc, ce que nous savions à la fin de la journée, c'est que si nous y allions et que nous le testions et que nous ne pouvions absolument pas le faire fonctionner, que le projet allait devoir abandonner plus de puissance. Et donc ça nous a apporté un grand calme.

Et il s'avère que nous avons réussi à couper le courant. Nous n'avions pas beaucoup de marge. Lorsqu'il a atterri à la surface de Mars, personne n'a eu plus peur que moi que le mécanisme du rover soit trop froid et que nous ne le décrochions jamais de l'atterrisseur. (rires) Mais tout s'est bien passé.

[24:08] Mars Exploration Rover (MER) Spirit Mission Control 1 : "Alpha-alpha-charlie-tango-underscore-romeo-two-one-niner-six-decimal-alpha-decimal-zero-zero" est notre commande ; est le lecteur de 3 mètres le plus important de l'histoire enregistrée. (rires) MER Spirit Mission Control 2 : Envoi à mon signal, trois, deux, un, signal. (applaudissements)

Shonte Tucker : Une fois arrivés à la surface de Mars, nous avons pu voir les températures que le rover voyait réellement dans cet environnement. Et donc c'était vraiment cool, car cela nous a vraiment donné ces points de données dont nous avions besoin pour Curiosity et plus tard pour Perseverance.

(musique)

Narrateur : Sojourner, Spirit et Opportunity ont tous atterri près de l'équateur de Mars, qui reçoit le plus de lumière du soleil et présente les variations de température les moins extrêmes. Lorsque le rover Curiosity était en cours de développement, la NASA voulait plus de flexibilité quant à l'endroit où le rover pourrait potentiellement aller sur Mars. Revoilà Sabah Bux.

[25:12] Sabah Bux : Ce qui est bien avec l'utilisation des RTG, c'est qu'ils peuvent aller là où le soleil ne le peut pas ; par exemple, les latitudes plus élevées de Mars où il y a moins de soleil pendant une partie de l'année. Nous voulons une mission qui se rende dans ces zones, ou qui opère pendant l'hiver martien. Spirit and Opportunity, quand l'hiver martien est devenu, les rovers se sont tus. Versus Perseverance et Curiosity, puisqu'ils utilisent des RTG, ils fonctionnent en continu.

Narrateur : Les RTG ne sont pas non plus aussi vulnérables que les panneaux solaires à la poussière semblable à de la poudre de talc qui recouvre tout sur Mars. Bien que les panneaux solaires aient alimenté Spirit pendant plus de six ans et Opportunity pendant près de quinze ans, la poussière a souvent limité leur capacité à produire de l'électricité.

Sabah Bux : Lorsqu'il y a vraiment de la poussière sur Mars, ou que beaucoup de poussière se dépose sur les cellules solaires, la puissance de sortie diminue. Nous avons eu beaucoup de chance avec Spirit et Opportunity - nous avons eu beaucoup de tempêtes de vent qui ont emporté la poussière.

[26:09] (effet sonore : tempête de vent)

Sabah Bux : Je veux dire, Spirit et Opportunity ne devaient durer que 90 jours. C'est incroyable qu'ils aient duré si longtemps avec des cellules solaires. Mais malheureusement, à un moment donné, la poussière était trop. Repose en paix, esprit et opportunité. Ils n'ont pas survécu.

(effet sonore : tempête de vent)

Sabah Bux : Mais avec un RTG, vous n'avez pas vraiment de problème avec les tempêtes de poussière. Ils peuvent continuer et continuer et continuer. Curiosity est donc allé sur Mars depuis 10 ans, et maintenant nous espérons que Perseverance durera aussi longtemps.

Narrateur : Bien que Curiosity et Perseverance aient marqué un changement dans les systèmes d'alimentation des rovers, ce n'étaient pas les premières missions sur Mars à utiliser des RTG.

Sabah Bux : Nous avons eu des RTG sur Mars dès les atterrisseurs Viking, qui utilisaient quelque chose connu sous le nom de RTG "SNAP-19".

[27:07] Narrateur : SNAP signifie "Systèmes de puissance auxiliaire nucléaire". Le SNAP-19 RTG était le premier système d'alimentation radio-isotopique de la NASA, utilisé en 1968 pour le satellite Nimbus III qui surveillait la météo de la Terre. Lorsque les Vikings 1 et 2 ont atterri sur Mars en 1976, leurs RTG SNAP-19 étaient censés durer trois mois, mais ils ont en fait fonctionné pendant de nombreuses années. La NASA utilise désormais différents types de RTG sur divers engins spatiaux, en fonction des objectifs et des destinations des missions.

Sabah Bux : Curiosité et Persévérance utilisent tous deux quelque chose connu sous le nom de générateur thermoélectrique à radio-isotopes multi-missions, ou MMRTG. Ainsi "Multi-Mission" signifie qu'il peut être utilisé soit dans le vide de l'espace, soit qu'il peut être utilisé réellement sur une atmosphère planétaire pressurisée. Multi-Mission peut faire les deux, contrairement à quelque chose connu sous le nom de GPHS-RTG, ou RTG de plusieurs centaines de watts : ceux-ci ne peuvent être utilisés que dans le vide de l'espace.

[28:12] Et parfois c'est lié à la technologie qui est utilisée. Fait intéressant, sur Perseverance and Curiosity, nous utilisons une technologie très similaire, en termes de matériaux thermoélectriques, à celle que nous utilisions à l'époque des Vikings.

Narrateur : Les matériaux thermoélectriques sont les parties du RTG qui transforment la chaleur émise par le plutonium-238 en énergie que le rover peut utiliser.

Sabah Bux : Il existe différents types de matériaux qui convertissent la chaleur en électricité. Les métaux peuvent être utilisés. C'est en fait ce que vous utilisez dans les choses connues sous le nom de thermocouples pour mesurer la chaleur - par exemple, votre four utilise un thermocouple. Vous pouvez donc certainement utiliser des métaux, mais ils ne sont pas si efficaces.

Donc les propriétés que l'on recherche, pour les matériaux thermoélectriques, c'est la conductivité électrique d'un métal – donc super facile à conduire l'électricité – puis les propriétés thermiques d'un verre ou d'une céramique. Une céramique est l'opposé d'un métal, ce qui signifie qu'elle ne conduit pas l'électricité, ce sont donc généralement des isolants.

[29:11] Ce que nous voulons faire, c'est que nous voulons transmettre l'électricité, mais garder le côté chaud chaud et le côté froid froid.

(musique)

Sabah Bux : Pensez-y donc comme à une marmite en cuivre. Le cuivre, comme nous le savons tous, est un bon conducteur d'électricité. Donc, si j'ai une casserole en cuivre, si je la mets sur la cuisinière, elle chauffe très, très vite. Et cela est dû à la conductivité thermique élevée du cuivre. Il transmet très bien la chaleur.

Eh bien, si je vais de l'autre côté du spectre avec, disons, du sable, par exemple, si vous êtes à la plage, vous savez, la couche supérieure de sable est vraiment très chaude par une chaude journée, mais le fond la couche est belle et froide, non ? Le sable ne conduit pas très bien la chaleur.

Nous voulons avoir comme l'hybride parfait des deux classes de matériaux, et c'est dans une classe connue sous le nom de semi-conducteurs. Et un semi-conducteur se situe quelque part entre un métal et une céramique, il a donc une conduction électrique et des propriétés thermiques qui le rendent idéal pour la thermoélectricité.

[30:03] Narrateur : L'intérêt de Sabah pour la science est passé du froid au chaud pendant qu'elle grandissait dans le sud de la Californie.

Sabah Bux : Curieusement, je détestais la science (rires) quand j'étais jeune. Je détestais les sciences, et en chimie au lycée, j'avais du mal. Et j'avais différentes personnes qui essayaient de m'aider, et je n'y arrivais tout simplement pas, et je devenais vraiment frustré. Et puis, tout d'un coup, l'ampoule s'est allumée dans mon cerveau.

(effet sonore : l'interrupteur s'allume, l'ampoule bourdonne)

Sabah Bux : C'était un problème de chaleur, en fait. Intéressant – peut-être que tout cela est réuni ! Il s'agissait de chaleur de réaction. Tout d'un coup, ça a cliqué. Puis je l'ai regardé et je me suis dit : "Oh, c'est facile." Et c'était tout. J'ai compris. Et donc, après cela, la chimie a eu un sens pour moi, alors j'ai continué à la poursuivre.

Avance rapide jusqu'à quelques années, juste après le lycée, sur le point de commencer l'université, je ne sais pas vraiment ce que je voulais faire. Et je suis venu au JPL pour leur journée portes ouvertes, et j'ai toujours été intéressé par la NASA.

[31:02] (musique)

Sabah Bux : Et je me promène et je vais à ce stand où ils parlent de systèmes d'alimentation. L'un des gars parlait de ce matériau génial connu sous le nom d'aérogel.

L'aérogel est un matériau solide qui est juste super, super poreux, et les pores sont remplis d'air. Donc, c'est comme 99,9 % d'air et 0,1 % de celui-ci est un solide. C'est donc super, super léger, et parce que vous avez tellement d'air, c'est un excellent matériau d'isolation.

Et ainsi, il le tenait, et cela ressemblait à de la fumée solide. Cela ressemblait à un nuage solide. C'était juste la chose la plus cool. Et j'étais comme, "Wow, c'est génial." Et il m'a vu le regarder intrigué, et il a dit : "Tu veux le tenir ?" Je suis comme, "Vraiment?" Alors il m'a laissé le tenir. Ce fut donc un énorme tournant pour "Wow - matériaux, chimie, aérogels". Avance rapide de 10 ans, je finis par travailler avec lui dans le laboratoire de thermoélectricité.

[32:03] Narrateur : Sabah utilise désormais l'aérogel, ainsi que d'autres matériaux avancés, pour transformer la chaleur des radio-isotopes en électricité pour les engins spatiaux, dans un processus différent de la façon dont les centrales nucléaires génèrent de l'énergie.

Sabah Bux : Lorsque vous entendez le mot « nucléaire », le cerveau de la plupart des gens se tourne automatiquement vers les armes nucléaires ou les centrales nucléaires. Ce sont des réactions de fission – des atomes qui se séparent – ​​et elles sont très, très puissantes. Donc, en ce qui concerne un réacteur nucléaire, nous sommes dans un état d'énergie super, super élevée, et vous avez juste un tas d'énergie accumulée qui doit être libérée, et c'est ce que nous récoltons pour la production d'électricité.

Dans le cas d'un radio-isotope, il n'est pas aussi énergétique. Et c'est une fission spontanée, ce qui signifie qu'elle ne crée pas de réacteur nucléaire, et qu'elle ne crée pas une énorme quantité d'énergie en excès, autre que de la chaleur et du rayonnement alpha.

Un peu comme du pop-corn, vous savez, quand vous essayez de réchauffer du pop-corn, et qu'il a toute cette énergie, et qu'il veut aimer la pop - c'est un peu comme un réacteur à fission nucléaire, où quand ça explose, ça va "populaire!"

[33:06] (effet sonore - éclatement de pop-corn)

Sabah Bux : Une énorme quantité d'énergie qui est libérée, par rapport à un petit noyau qui est juste un peu comme assis là dans de l'huile chaude - ça va juste être cuit.

Narrateur : La prochaine fois que vous irez au cinéma, vous pourrez imaginer votre pop-corn comme de petites explosions d'énergie nucléaire et, au fond du sac, les grains qui n'ont pas éclaté, mais qui sont si chauds qu'ils pourraient vous ébouillanter. langue - comme le carburant qui fait fonctionner un rover martien.

(musique)

Narrateur : Le rayonnement alpha émis par le noyau chaud non éclaté de Curiosity and Perseverance est composé de particules chargées positivement qui ne peuvent pas voyager loin ou pénétrer la majeure partie de la matière. Mais si des particules alpha sont inhalées, avalées ou pénètrent dans la circulation sanguine par une plaie, elles peuvent être nocives. Réduire les risques d'une telle exposition est l'une des raisons pour lesquelles le plutonium se présente sous une forme céramique, un peu comme une tasse de café. Il est également entouré de couches de matériaux résistants, et le temps qui peut être consacré à marier le RTG au rover est strictement limité.

[34:15] Sabah Bux : Lorsque nous intégrons le RTG, nous surveillons les niveaux d'exposition des individus. Je veux dire, le rayonnement alpha est relativement sûr. Il peut être bloqué par un morceau de papier. Cependant, nous voulons nous assurer que nous n'exposons pas les gens plus qu'ils ne le devraient.

Narrateur : Le RTG est la dernière pièce à monter sur le rover, ajouté à la rampe de lancement après que le rover est placé au sommet de la fusée pour son vol vers Mars. Cette pierre chaude est manipulée très soigneusement avec un grappin spécialisé – une version high-tech de gants de cuisine et un tisonnier – pour verrouiller le RTG en place sur le rover. Ensuite, pendant que la fusée attend de décoller, un système de refroidissement qui ressemble beaucoup au radiateur d'une voiture empêche la chaleur de s'accumuler à l'intérieur de la capsule spatiale.

[35:08] Aussi puissants que soient les RTG, ils ne sont pas un moyen très efficace de générer de l'énergie. Sur les 2 000 watts de chaleur d'un RTG, seuls environ 100 watts sont transformés en électricité.

Sabah Bux : Les systèmes d'alimentation traditionnels à radio-isotopes fonctionnent très bien. Ils sont super robustes, ont une longue durée de vie et la NASA les utilise avec succès depuis plus de 50 ans. Mais le défi est que nous avons beaucoup de perte de chaleur. Ils sont de l'ordre d'environ 6% d'efficacité. Et donc ce que nous essayons de faire, c'est de les rendre 10 à 20 % plus efficaces, afin que nous puissions avoir plus de puissance pour faire plus de science et explorer d'autres parties de notre système solaire.

Narrateur : Sabah ne se concentre pas spécifiquement sur l'alimentation des rovers martiens ; au lieu de cela, elle améliore les systèmes d'alimentation pour toutes les missions spatiales de la NASA.

Sabah Bux : Il y a une forte demande de RTG à l'avenir pour des missions vers les planètes extérieures où les RTG sont essentiels. Donc missions vers Uranus et Neptune, potentiellement d'autres mondes océaniques. Et il y a des concepts qui ont été développés au JPL qui utiliseraient un RTG pour réellement fondre à travers la glace et atteindre les océans d'Europe ou d'Encelade.

[36:21] Donc, ce que nous faisons maintenant pourrait avoir un impact énorme sur nos missions à l'avenir, et en faire partie est tout simplement exaltant.

(musique)

Narrateur : La décision du type de pouvoir à utiliser dépend des objectifs d'une mission. Par exemple, la prochaine mission de la NASA sur Mars utiliserait l'énergie solaire plutôt que les RTG. La mission Mars Sample Return, qui prévoit de récupérer des échantillons de roche que Perseverance collecte actuellement, devrait être une opération rapide et ciblée, plutôt qu'une résidence de longue durée.

Sabah Bux : Nous n'avons jamais perdu une mission à cause du RTG. Ça a toujours été autre chose. Mais le coût est une grande limitation. Cela dépend de votre classe de mission et de vos objectifs scientifiques, et de ce que vous essayez d'en tirer, s'il est plus logique d'opter pour le solaire, qui est moins cher et aussi très puissant, par rapport à un RTG.

[37:18] Narrateur : Shonte, qui a aidé à concevoir les cinq rovers martiens de la NASA, a dû s'assurer que l'équilibre des forces fonctionne. Lorsqu'un aspect du système devient surchargé, cela peut entraîner des épuisements, et pas seulement pour les rovers.

Shonte Tucker: Quand vous voyez ce portrait de famille et que vous vous dites: "Oh mon Dieu, nous sommes passés de ça à ça? Oh mon Dieu." Mais nous n'arrivons jamais à un point où nous nous disons : « C'est assez bien. Allons-y. Nous finissons par travailler si dur parfois parce que nous ne nous arrêtons pas. On se dit : "Eh bien, si on peut faire ça, je parie qu'on pourrait faire ça. Et si on fait ça, on doit absolument faire ça." Et tu dis : "Mec, je n'ai pas vu l'intérieur de mes paupières depuis un mois. Tu me tues ici." « Ouais. Mais ça va être tellement cool ! (rires) Alors, parfois on a du mal à lâcher prise. Et parfois, nous sommes tellement sur-souscrits et nous devons encore tout faire que nous finissons par nous écraser.

[38:16] Une nuit effrayante au JPL, je marchais depuis le Spacecraft Assembly Facility. Il était vraiment, vraiment tard. Et j'étais à ce point de fatigue où vous êtes tellement, tellement fatigué, et presque comme si vous voyiez des choses, vous êtes tellement fatigué - totalement caféiné et épuisé en même temps. Et donc, je marche vers l'atelier d'usinage, et puis j'entends ce boum !

(claquement de porte en métal à effet sonore)

Shonte Tucker : Et je me dis : "Oh mon dieu, oh mon dieu, qu'est-ce que c'est ?" Et puis j'entends ce ksssh !

(effet sonore : chute de morceaux de métal)

Shonte Tucker : Je me dis : "Oh mon Dieu !" Et puis je suis comme trembler et paniquer et je me dis, "Qu'est-ce qui se passe?" Et donc je regarde le ciel et je me dis : "C'est comme ça que ça se termine !" Tu sais, j'ai complètement paniqué. Et j'ai réalisé que c'était l'un des techniciens qui ouvrait la porte et prenait un énorme conteneur de copeaux de métal et le jetait dans la corbeille.

[39:04] (effet sonore : chute de morceaux de métal)

Shonte Tucker : Et c'est à ce moment-là que j'ai réalisé qu'il y a un moment où votre corps dit simplement : "Vous avez terminé. (rires) Vous avez atteint une ville folle, et vous ne devriez pas être à proximité de matériel ou vous ne devriez rien faire implique votre sécurité ou celle d'autrui." J'étais comme, "D'accord, j'ai officiellement des hallucinations et il est temps de rentrer à la maison."

Ce fut donc une belle prise de conscience pour moi, car nous avons vraiment besoin d'établir un meilleur équilibre vie-travail. Maintenant, une partie est auto-infligée, vous savez, parce que nous nous disons : "Je ne pars pas avant d'avoir terminé." Et vous vous dites : "Mec, ça ne va pas tomber du ciel. Tu pourras le découvrir demain."

Et les gens se disent : "Oh, si nous n'avions qu'une semaine de plus, ce serait tellement bien." Mais quand vous avez affaire à une mission sur Mars, quand vous pensez à cette fenêtre d'opportunité pour vous rendre sur Mars, vous avez deux mois comme tous les deux ans en fonction, vous savez, de la propulsion et de l'alignement des planètes. Et tu dois le faire fonctionner. Ce n'est pas comme un orbiteur terrestre où vous faites juste des tours, vous vous dites, "Eh, nous irons la semaine prochaine, eh, le mois prochain." Vous n'avez pas cette option chaque fois que vous partez en voyage interplanétaire. Et donc, les gens finissent par travailler vraiment, vraiment dur.

[40:10] (musique)

Narrateur : Malgré la nature souvent épuisante du travail sur les rovers martiens, Shonte retrouve son énergie en considérant tout ce que ces missions accomplissent.

Shonte Tucker : J'aime vraiment que la science nous donne cette raison de sortir des sentiers battus et de concevoir des choses qui sont cool. Et j'aime vraiment que JPL, et la NASA dans son ensemble, pensent bien au-delà de tout ce que vous pouvez imaginer, et nous proposons ces excellentes solutions, cette technologie qui est née en allant quelque part et en faisant quelque chose que vous n'avez jamais fait. C'est donc ce qui m'excite à propos de Mars, à part le fait d'avoir un rover sur une autre planète qui fait des trucs sympas.

[40:54] Et juste être dans ces pièces avec des gens où tu es prêt à t'arracher les cheveux et tu as la tête baissée ; vous êtes comme, "Quelqu'un prend un café ici!" Et vous êtes en train de vous attaquer et de résoudre les problèmes. C'est quelque chose qui me passionne tellement.

Narrateur : Nous sommes "On a Mission", un podcast du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Cet épisode a été produit en coopération avec le Glenn Research Center de la NASA et le Département américain de l'énergie. Si vous avez aimé cet épisode, suivez-nous et évaluez-nous sur votre plateforme de podcast préférée, et assurez-vous de consulter les autres podcasts de la NASA : ils peuvent tous être trouvés sur NASA dot gov, barre oblique, podcasts.

(Durée de l'épisode = 41:32)

NASA/JPL-Caltech

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