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New Horizons et son générateur thermoélectrique à radioisotope, RTG

Dossier - New Horizons : 11 kg de plutonium pour comprendre Pluton
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La sonde New Horizons est la première mission du programme d'exploration planétaire New Frontiers de la Nasa, avec Juno (lancée en 2011) et Osiris-Rex (en développement, pour un lancement prévu en 2016). Elle est chargée de fournir la première reconnaissance scientifique du système Pluton-Charon, avec les quatre autres satellites découverts depuis.

  
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L'énergie solaire étant inutilisable à cette distance, New Horizons sera alimentée par un générateur à isotopes radioactifs aussi appelé générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG, Radioisotope Thermoelectric Generator) capable de fournir suffisamment d'énergie durant plusieurs décennies.

Un RTG ne renferme aucune pièce en mouvement, et n'utilise ni la fission ni la fusion pour produire de l'énergie. La décroissance radioactive d'un élément, ici le bioxyde de plutonium 238 - un isotope non utilisé à des fins militaires - produit naturellement de la chaleur, laquelle est convertie en électricité par un thermocouple.

Environ 11 kg de bioxyde de plutonium fournis par le Département de l'Énergie américain ont été embarqués à bord de New Horizons et assureront une puissance de départ de 213 watts sous 30 volts en courant continu, qui sera directement utilisée car la sonde n'embarque pas d'accumulateurs. Cette puissance décroîtra lentement (environ 3,5 watts par année), et 190 watts sont encore disponibles au moment du survol de Pluton par New Horizons en 2015. Si le niveau énergétique est trop bas, l'ordinateur de bord programmera un fonctionnement alterné des instruments de bord afin d'amoindrir la consommation électrique.

Le RTG, générateur électrique utilisant la chaleur d'un corps radioactif. © Nasa

Particulièrement vitale, la distribution de l'énergie à bord de New Horizons a été organisée sur le principe de la « redondance massive », comprenant 96 connecteurs et plus de 3.200 faisceaux câblés.

Le RTG et la sécurité

Dans le cœur du RTG, le bioxyde de plutonium se présente sous la forme d'une céramique spécialement formulée, résistante au feu, façonnée en billes pour réduire les possibilités de dispersion du combustible lors d'un accident au lancement ou d'une rentrée atmosphérique intempestive. Cette forme de céramique est totalement insoluble dans l'eau et réagit très peu avec d'autres éléments chimiques. Si elle est fracturée, cette céramique a tendance à se briser en de gros fragments qui présentent moins de risques de dispersion que de petites particules.

Le carburant est réparti dans chaque élément du RTG dans 18 petites unités modulaires indépendantes, chacune possédant son propre bouclier thermique et son blindage. De multiples couches de matières protectrices les entourent et les encapsulent, composées entre autres d'iridium et de graphite à haute résistance, réduisant encore les risques d'exposition du bioxyde de plutonium en cas d'accident. L'iridium, un métal extrêmement solide et résistant à la chaleur et à la corrosion, est directement en contact avec les billes de céramique tandis que plusieurs couches de graphite extrêmement résistant aux hautes températures assurent une protection supplémentaire.

En 40 années d'exploration spatiale, 24 RTG ont été installés à bord de satellites et de sondes, et aucun n'a connu de défaillance, même mineure. Trois missions ont connu des fonctionnements défectueux, pour d'autres raisons. Le RTG installé à bord du module lunaire d'Apollo 13, qui s'est désintégré dans l'atmosphère au-dessus de l'océan après l'échec de la mission, a été la démonstration de l'efficacité des protections puisque les détecteurs n'ont pu mettre en évidence la moindre trace de radioactivité dans la zone de chute.