Il y a quelques semaines, une équipe de scientifiques de Caltech a annoncé avoir réussi à transmettre de l’énergie d’un satellite en orbite vers la Terre. Ce n’était pas beaucoup d’énergie, mais cela a montré que c’était possible.
À terme, nous pourrions être en mesure de transmettre l’énergie des satellites solaires vers la Terre, rendant l’énergie solaire disponible presque partout et aidant à lutter contre le changement climatique. Mais il y a une autre utilisation potentielle : alimenter des sondes de surface sur Vénus.
Tout le monde connaît Vénus. Il a tué plusieurs atterrisseurs avec sa chaleur extrême et sa pression atmosphérique écrasante. L’ancienne Union soviétique a envoyé une série de sondes à la surface de la planète, et la plupart d’entre elles ont échoué. Le plus réussi était Venera 13, qui a survécu pendant un peu plus de deux heures à 457 ° C (855 ° F) et a été soumis à une pression de 9,0 MPa (89 atmosphères standard).
Malgré le succès bref mais significatif de Venera 13, la planète a gardé ses secrets et nous sommes ramenés à sa surface pour les révéler. C’est pourquoi la NASA souhaite envoyer un atterrisseur à la surface dans le cadre de sa mission DAVINCI+ (Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble gas, Chemistry, and Imaging).
Mais il y a la question de savoir comment alimenter un atterrisseur sur la surface unique et perfide de Vénus, en supposant que nous pouvons en construire un qui ne succombera pas facilement aux conditions désagréables de Vénus. Les méthodes habituelles – énergie solaire, batteries, générateurs thermoélectriques à radio-isotopes – ne sont pas à la hauteur. C’est selon une nouvelle étude publiée dans la revue Acta Astronautica.
L’article de recherche est “Faisabilité du rayonnement de puissance à travers l’atmosphère de Vénus”. L’auteur correspondant est Erik Brandon du Jet Propulsion Laboratory.
“Les technologies d’énergie spatiale de pointe comprenant des panneaux solaires, des batteries et des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes ne sont pas capables de fonctionner à la surface de Vénus, limitées par les températures élevées, les pressions élevées et l’environnement corrosif”, expliquent les auteurs.
Vénus est plus proche du Soleil, mais son atmosphère épaisse signifie que peu de rayonnement solaire atteint la surface. Environ 75 % de l’énergie du Soleil est réfléchie par les nuages de Vénus, et seulement 2,5 % environ du flux solaire incident au sommet de l’atmosphère atteint la surface. Au-dessus des nuages, l’énergie solaire est abondante. Vénus reçoit deux fois plus d’irradiance solaire au sommet de son atmosphère que la Terre au sommet de son atmosphère.
Cette énergie abondante pourrait-elle être exploitée par des capteurs solaires au-dessus des nuages, puis transmise à un atterrisseur/rover ? Il faudrait qu’il passe à travers beaucoup de nuages épais. “La faisabilité d’une telle approche et d’autres concepts de mission connexes sont discutés ici du point de vue de l’absorption atmosphérique et de la diffusion de l’énergie rayonnée”, indique le document.
Le transfert d’énergie d’un endroit à un autre est appelé transfert d’énergie (ou de puissance) sans fil. Il en existe deux types : champ proche et champ lointain. Le champ proche est un transfert d’énergie à courte distance comme le type utilisé dans les chargeurs pour appareils mobiles. Le transfert d’énergie en champ lointain est également appelé transmission de puissance et utilise des micro-ondes ou des lasers pour transmettre la puissance d’un producteur à un récepteur.
Un problème avec l’énergie rayonnante d’un capteur solaire orbital vers un véhicule de surface est les complications dans une orbite géostationnaire de Vénus. La planète tourne si lentement que l’orbite géostationnaire est à une grande distance de la planète, ce qui rend l’orbite instable. D’une manière ou d’une autre, un capteur solaire devrait être plus proche de la planète. Au-dessus des nuages supérieurs, à environ 60 ou 70 km d’altitude, un collecteur recevrait essentiellement toute la lumière solaire disponible. La conception de la mission devra peut-être maintenir le collecteur, ou le groupe de collecteurs, à la bonne altitude et à la bonne position.
Une solution alternative consiste à transmettre une partie de l’énergie à un atterrisseur sur chaque orbite, ce qui pourrait suffire. “Des centaines de Wh (wattheures) d’énergie pourraient être reçues au cours de plusieurs passages orbitaux de l’atterrisseur”, expliquent les auteurs.
Mais ce sont des problèmes plus importants de l’architecture globale de la mission. Cette recherche suppose qu’il existe des solutions à ce problème. Dans ce travail, les auteurs se concentrent sur la façon de transmettre l’énergie et de la recevoir, ce qui n’a pas été étudié à fond. “Cependant, à ce jour, il n’y a pas eu d’étude approfondie sur la faisabilité de la transmission de puissance à des longueurs d’onde pertinentes, si une plate-forme et une architecture de mission appropriées pouvaient être conçues et mises en œuvre”, écrivent les auteurs.
Le problème est que l’atmosphère de Vénus est dense et contient des produits chimiques qui interfèrent avec la transmission de puissance par les micro-ondes. Les concentrations de CO2 posent un problème particulier.
Les lasers pourraient être une meilleure option. Même s’il y a des problèmes avec l’atmosphère dense, il y a certaines «fenêtres de fréquence» dans l’atmosphère qui pourraient permettre un faisceau de puissance avec des lasers. “De manière contre-intuitive, le rayonnement de puissance via des sources laser peut être possible à Vénus malgré la couverture nuageuse continue, étant donné certaines” fenêtres “optiques/infrarouges présentes dans l’atmosphère de Vénus, qui ne sont pas disponibles en utilisant le faisceau de puissance micro-ondes”, écrivent les auteurs.
Les lasers présentent également d’autres avantages, comme un étalement réduit du faisceau par rapport aux micro-ondes. Cela signifie que les antennes de réception n’ont pas besoin d’être aussi grandes. Un récepteur d’un mètre pourrait suffire et ne serait pas trop encombrant pour interférer trop avec la conception d’un atterrisseur.
Bien que l’énergie solaire soit abondante au sommet de l’atmosphère de Vénus, la diffuser dans toute l’atmosphère n’est peut-être pas la meilleure approche. Au lieu de cela, un ballon ou un autre véhicule pourrait se situer près du milieu de l’atmosphère. Là, il recevrait suffisamment d’énergie solaire pour être réalisable et n’aurait besoin de transmettre l’énergie qu’à travers une partie de l’atmosphère.
“Ces calculs indiquent une approche plausible pour le faisceau de puissance
à Vénus, en utilisant la transmission d’une plate-forme aérienne opérant à proximité du
fond de nuage.extrait de “Faisabilité du rayonnement de puissance à travers l’atmosphère de Vénus”
Les recherches montrent que l’altitude de 47 km est significative. Il y a une base nuageuse à cette altitude, et en dessous, l’énergie rayonnée est sujette à moins de diffusion. Il montre également qu’à partir de 47 km, le facteur de transmission le plus élevé se situe à 1022 nanomètres, où environ 20% de l’énergie rayonnée atteindrait un atterrisseur de surface.
“Ces calculs indiquent une approche plausible pour le rayonnement de puissance à Vénus, utilisant la transmission à partir d’une plate-forme aérienne opérant près de la base des nuages”, écrivent les auteurs.
Mais la technologie pour le faire existe-t-elle ?
Le document ne précise pas quel type de véhicule ou de plate-forme pourrait être utilisé à 47 km d’altitude. Ils se concentrent sur la puissance rayonnante elle-même, et si les calculs montrent que c’est possible. Mais ils parlent également de la technologie laser disponible et si elle est à la hauteur de la tâche.
Selon les chercheurs, nous n’avons pas encore le bon type de laser.
Les chercheurs sont cependant occupés à les développer. Des lasers à fibre dopée à l’ytterbium (YDFL) qui fonctionnent dans la fenêtre du proche infrarouge (NIR) et qui peuvent également fonctionner à haute puissance sont en cours de développement. Malheureusement, ils ne fonctionnent pas à la longueur d’onde idéale pour une utilisation sur Vénus : 1022. Au lieu de cela, ils sont limités à deux autres plages : 970-980 nm et 1030-1100 nm. Mais les lasers sont au centre des préoccupations de différents chercheurs du monde entier, et les progrès sont constants.
La tâche de maintenir une sorte de plate-forme aérienne stable et dans la bonne position est essentielle à toute mission de transmission de puissance. Mais les chercheurs travaillent déjà sur des ballons et d’autres plates-formes aériennes à utiliser sur Vénus. En supposant qu’ils puissent être développés, les auteurs sont convaincus qu’un scénario de rayonnement de puissance peut relever le défi et créer des missions réussies à la surface vénusienne.
“De plus, bien qu’il existe des défis d’ingénierie et de conception de mission concernant le contrôle et le pointage d’une telle plate-forme de véhicule aérien utilisée pour le faisceau de puissance et dans la gestion thermique globale, cette analyse montre que ces fenêtres optiques pourraient être exploitées pour permettre des niveaux de puissance suffisants pour permettre la mission. être rayonné à la surface de Vénus.
Nous avons besoin d’une meilleure compréhension de l’atmosphère de Vénus avant qu’un système spécifique puisse être conçu. DAVINCI+ a trois objectifs scientifiques principaux, dont l’un est de comprendre l’atmosphère telle qu’elle la traverse.
Ses découvertes aideront les scientifiques à comprendre les obstacles auxquels ils sont confrontés pour envoyer de l’énergie à la surface de la planète. Si cela peut être fait de manière fiable, alors Vénus sera ouverte à l’exploration.
