Évacuer la chaleur dans l'espace, un casse-tête de l'ingénierie spatiale
Dans le vide, ni air ni eau pour emporter la chaleur : il ne reste que le rayonnement. Des radiateurs de la Station spatiale aux réacteurs nucléaires embarqués, se débarrasser de ses calories pèse lourd, parfois plus lourd que produire l'énergie.
Sur Terre, on refroidit presque tout avec de l'air ou de l'eau : un ventilateur, une rivière, une tour de refroidissement. Dans l'espace, ces solutions disparaissent. Le vide ne conduit pas la chaleur et ne l'emporte pas par convection. Un engin spatial n'a qu'une seule façon de se débarrasser durablement de ses calories : les rayonner, sous forme d'infrarouge, vers le froid de l'espace. Or ce mécanisme est lent, et il impose sa loi à toute la conception des vaisseaux.
La loi de Stefan-Boltzmann, juge de paix
La puissance qu'une surface rayonne est donnée par la loi de Stefan-Boltzmann : P = \varepsilon \sigma A T^4, où A est la surface, T sa température absolue en kelvins, \sigma \approx 5{,}67 \times 10^{-8} W·m⁻²·K⁻⁴ une constante et \varepsilon l'émissivité, comprise entre 0 et 1, qui mesure à quel point la surface se rapproche d'un corps noir idéal.
Deux conséquences en découlent. D'abord, autour de la température ambiante, le rayonnement est faible : un mètre carré de corps noir à 0 °C rayonne environ 300 watts par face. Pour évacuer des dizaines de kilowatts à ces températures, il faut donc des surfaces immenses. Ensuite, la puissance croît comme la puissance quatrième de la température : doubler la température absolue multiplie le flux par seize. À 1 000 K, environ 730 °C, le même mètre carré rayonne près de 57 kilowatts. D'où l'intérêt de radiateurs très chauds, à condition de trouver des matériaux et des fluides qui le supportent.
Les grandes ailes blanches de l'ISS
La Station spatiale internationale illustre bien l'ampleur du problème. Ses équipements, ses ordinateurs et son équipage produisent de la chaleur en permanence. À l'intérieur des modules, des boucles d'eau la collectent, puis la cèdent, dans des échangeurs, à deux boucles extérieures d'ammoniac, un fluide qui ne gèle qu'à −77 °C.
L'ammoniac circule ensuite dans les grands panneaux blancs qu'on aperçoit sur les photos, distincts des panneaux solaires. Le système principal compte deux ailes de trois radiateurs, chacun formé de huit panneaux et mesurant 23,3 mètres sur 3,4 mètres, pour une masse d'environ 1 120 kilogrammes. Ensemble, ces deux boucles peuvent rejeter 70 kilowatts. Des articulations motorisées peuvent faire pivoter chaque aile jusqu'à 115 degrés de part et d'autre de sa position neutre, pour l'orienter au mieux. Les quatre modules solaires ont en outre chacun leur propre radiateur, capable de rejeter jusqu'à 14 kilowatts.
Ces chiffres donnent une idée de l'enjeu : près de 480 mètres carrés de panneaux pour le seul système principal, plus de six tonnes de radiateurs, des pompes, et une maintenance délicate, faite en partie lors de sorties dans l'espace.
Les caloducs, des tuyaux qui transportent la chaleur tout seuls
Pour amener la chaleur jusqu'aux radiateurs, les ingénieurs utilisent souvent des caloducs. Un caloduc est un tube fermé contenant un liquide et une mèche poreuse. Du côté chaud, le liquide s'évapore ; la vapeur file vers le côté froid, s'y condense en cédant sa chaleur, puis le liquide revient par capillarité dans la mèche. Le cycle se répète sans pompe ni moteur, et fonctionne en apesanteur.
L'idée a été mise au point au laboratoire de Los Alamos dans les années 1960, notamment pour éviter qu'un satellite ne surchauffe d'un côté et ne gèle de l'autre. Elle s'est ensuite répandue sur Terre : les caloducs refroidissent les processeurs des ordinateurs portables et ont servi à maintenir gelé le pergélisol sous les supports de l'oléoduc trans-Alaska.
Le talon d'Achille des réacteurs spatiaux
Le problème devient aigu dès qu'on embarque un réacteur nucléaire. Aucune machine ne transforme toute sa chaleur en électricité. Lors de l'essai KRUSTY, mené par la NASA et le département américain de l'Énergie en mars 2018 dans le Nevada, le cœur d'uranium porté à 800 °C transmettait sa chaleur par huit caloducs au sodium à des moteurs Stirling, qui convertissaient 30 à 34 % de cette chaleur en électricité : pour chaque watt électrique, environ deux watts de chaleur restaient à évacuer. Le réacteur a fonctionné 28 heures d'affilée. Le projet Kilopower vise des systèmes de jusqu'à 10 kilowatts électriques, capables de tourner au moins dix ans.
L'histoire avait commencé bien plus tôt. Le 3 avril 1965, les États-Unis lancent SNAP-10A, premier système électrique à réacteur nucléaire testé en vol. Sous le réacteur, un grand radiateur conique rejetait la chaleur non convertie par des modules thermoélectriques. Il a fourni environ 600 watts au départ et fonctionné 43 jours, jusqu'à une panne de haute tension du véhicule Agena qui le portait.
D'où la course à la légèreté. Les radiateurs à moyenne température éprouvés pèsent environ 12 kilogrammes par mètre carré vers 400 K ; la NASA vise 2 à 3 kilogrammes par mètre carré entre 500 et 600 K. En 2024, une équipe de l'université d'État de Pennsylvanie et du centre Glenn de la NASA a imprimé en 3D des panneaux en titane à caloducs intégrés, remplis d'eau, d'environ 2,1 kilogrammes par mètre carré. Sous vide, un prototype a rejeté environ 45 watts à 510 K.
Et sur Terre ?
La marche « Radiateur d'étoile » (voir la marche D-NRG-17) veut passer de ces échantillons à des panneaux d'un mètre carré, puis développer des caloducs à métal alcalin et des ailettes en composite de carbone pour rejeter la chaleur bien au-dessus de 600 K, et enfin un radiateur repliable de plusieurs dizaines de mètres carrés pour un système de 100 kilowatts électriques. Vers les étoiles, c'est une condition de base : tout réacteur, générateur ou laser embarqué devra rejeter sa chaleur, et chaque kilogramme de radiateur comptera. Sur Terre, les mêmes caloducs légers et surfaces très émissives pourraient refroidir passivement, sans eau ni ventilateurs, une salle de calcul ou un procédé industriel.