Comment les batteries du Rover lunaire ont fonctionné et ont failli échouer sur la Lune ?

Les batteries EV détestent les températures extrêmes. Alors, comment la NASA a-t-elle construit un rover électrique capable de fonctionner dans l’espace ?

Lorsque les constructeurs développent de nouveaux groupes de motopropulseurs, ils les testent fréquemment dans les conditions les plus extrêmes. Par exemple, la Rolls Royce Specter électrique entièrement a été soumise à des températures aussi basses que -40°C puis jusqu’à 50°C afin que les ingénieurs puissent déterminer comment son autonomie résisterait. Cette exposition à des conditions climatiques rigoureuses est cruciale pour les BEV, car les batteries perdent beaucoup d’efficacité par temps glacial ou brûlant.

Il n’existe cependant aucun climat sur Terre comparable à l’intensité de la Lune : 120 °C pendant la journée et -130 °C la nuit. Alors, comment la NASA a-t-elle réussi à construire un rover lunaire électrique capable de fonctionner dans des conditions aussi extrêmes, dès les années 1970 ?

Une puissance cruciale

Bien qu’un véhicule de mission lunaire ait été en préparation dès le début du programme Apollo, le premier rover fait pour une telle mission, connu sous le nom de “Lunar Roving Vehicle” (LRV), n’a été lancé qu’ au quatrième atterrissage habité sur la Lune, celui d’Apollo 15, en 1971. Les objectifs du LRV étaient simples : augmenter la zone que les astronautes pouvaient explorer et aider à ramener les roches lunaires. Mais les vols spatiaux ont le cependant don de poser des exigences difficiles à satisfaire.

La nécessité de réduire le poids du LRV nécessitait une construction correspondant à la haute technologie. L’utilisation libérale de l’aluminium et du titane a réduit le poids à vide du LRV à seulement 208 kg, soit environ la moitié de celui d’une voiturette de golf typique. Malgré cela, sa charge utile dépassait les 450 kg. Il devait être pliable pour pouvoir être rangé sur le module d’atterrissage lunaire et une fois prêt au lancement, il s’est replié jusqu’à seulement faire 50 cm d’épaisseur. Il était doté de roues spéciales en acier qui pouvaient se déformer et reprendre leur forme, plutôt que d’éclater ou de se plier, pour éviter les problèmes potentiels sur des rochers escarpés. Les ingénieurs lui ont doté de quatre roues motrices indépendantes, quatre roues directrices pour la traction et une maniabilité à toute épreuve.

Les besoins en énergie étaient minimes, car le LRV ne pèserait que 34,4 kg dans le champ gravitationnel plus léger de la Lune. En tant que tel, il ne disposait que d’une puissance totale de 0,75 kilowatt, fournie par quatre moteurs à courant continu (un à chaque roue). Chaque moteur avait son propre entraînement harmonique avec une réduction de 80:1, pour améliorer le couple et la réponse.

Les carters du moteur étaient pressurisés à 7,5 PSI pour empêcher la poussière de pénétrer dans les carters et d’abîmer les brosses. Sa vitesse maximale officielle était de 12 km/h, bien qu’il ait atteint les 17 km/h lors de la mission Apollo 17 lorsque l’astronaute Eugene Cernan lui a fait descendre une colline avec une charge utile complète de roches lunaires. À l’origine, le budget du LRV n’était que de 19 millions de dollars ; les dépassements de coûts ont porté la note finale à 38 millions de dollars, ce qui en fait le pire accord en dollars par cheval-vapeur de l’histoire.

Savoir utiliser la bonne batterie

Étant donné que le LRV était de faible consommation, il exigeait une batterie légère et compacte, plutôt qu’une batterie de grande capacité. Comme il était destiné à être une machine à usage unique (les trois LRV jamais emmenés sur la Lune y sont toujours garés), les batteries n’avaient pas non plus besoin d’être rechargeables. À ce titre, une paire de batteries argent-zinc de 36 V et 4,1 kilowattheures ont été utilisées, ce qui est bien loin des batteries de plus de 80 kWh des voitures modernes.

Les piles argent-zinc ne sont que peu rechargeables et durent entre 10 et 50 cycles. Cependant, elles possédaient la densité énergétique la plus élevée de toutes les batteries existantes avant le développement de celles au lithium, à environ 220 Wh/kg (contre 270 Wh/kg pour le lithium-ion moderne). Pour les applications à usage unique, elles étaient imbattables dans les années 1970. En conséquence, l’argent-zinc est devenu la référence en matière de batteries aérospatiales aux États-Unis et en Union soviétique.

La portée totale utilisable de la paire de batteries était évaluée à 92 km en fonctionnement normal, avec une batterie alimentant les roues avant et une autre faisant de même à l’arrière. La conception à deux batteries a été conçue pour la redondance, de sorte que si une batterie venait à mourir, l’autre pourrait toujours alimenter l’ensemble du LRV. Cela réduit la plage utilisable en toute sécurité. Les planificateurs de la NASA ne permettraient pas non plus aux astronautes d’éloigner le LRV de l’engin de vol spacial plus loin qu’ils ne pourraient marcher, en cas de panne complète. Cela l’a limité à un rayon d’opérations de 10 km.

Le trajet le plus long qu’un LRV ait jamais parcouru au cours d’une seule mission a été le dernier atterrissage habité sur la Lune, Apollo 17, où les astronautes ont parcouru environ 35 km au cours de l’expédition de trois jours (y compris un trajet continu de 19 km). Dans une interview accordée à Wired, plusieurs décennies plus tard, l’astronaute (et conducteur du rover) Charles Duke a rappelé que sur Apollo 16, malgré le fait que le LRV avait parcouru plus de 24 km, “nous n’avons même pas failli manquer d’énergie”.

Comment gérer le climat ?

Contre toute attente, le contrôle de la température s’est avéré difficile. Les piles argent-zinc fonctionnent mal par temps froid, mais le LRV n’était destiné qu’à être utilisé lors de la journée lunaire de 15 jours terrestres, ce qui signifiait que les empêcher de surchauffer était la principale préoccupation. La surface de la lune, elle-même, peut atteindre des températures plus chaudes que l’eau bouillante au cours de ces quinze jours, mais comme celle-ci n’a pas d’atmosphère, les températures locales varient énormément et sont principalement déterminées par le temps passé directement au soleil. La température de fonctionnement maximale de la batterie était évaluée à 52°C et la température de survie maximale était de 60°C, et elle dépasserait rapidement si elle était exposée à la lumière du jour pendant trop longtemps.

Ce problème a été facilement résolu pendant le transport : le LRV était plié à plat à l’extérieur de l’atterrisseur lunaire qui tournait lentement comme un poulet rôti alors qu’il orbitait autour de la Lune, répartissant uniformément la lumière directe du soleil de chaque côté, gardant les températures gérables. À la surface de la Lune, cependant, rien ne pouvait se cacher des rayons du soleil et les batteries dépassaient rapidement leur limite.

Pour résoudre ce problème, les deux batteries ont été équipées de radiateurs passifs. Plutôt que d’utiliser un système de refroidissement liquide actif traditionnel, les ingénieurs ont utilisé des miroirs en silice fondue pour réfléchir autant de lumière et éliminer autant de chaleur que possible physiquement. Lorsque le LRV se déplaçait, les miroirs étaient recouverts d’un pare-poussière pour empêcher le sol lunaire extrêmement fin de recouvrir les miroirs, ce qui ruinerait leur capacité à réfléchir la lumière et à rayonner de la chaleur.

Cela a fonctionné… dans une certaine mesure. Sur Apollo 15, de courts trajets et un faible angle d’ensoleillement maintenaient les batteries à des températures normales, mais sur Apollo 16, le lieu d’atterrissage présentait des températures plus élevées. Pire encore, un accident précoce a fait perdre une aile au LRV. Une queue de coq de fine poussière suivait le rover partout où il allait et recouvrait tout, y compris les miroirs. Les batteries refusaient de refroidir entre les trajets, même après avoir retiré les boucliers thermiques et brossé les miroirs, car le sol lunaire retenait trop efficacement la chaleur. Les batteries pourraient être légèrement refroidies en garant le LRV à l’ombre, mais s’il restait trop longtemps à l’abri, le froid extrême tuerait d’autres composants électriques.

Mission Control a demandé aux astronautes de passer d’une batterie à l’autre pour l’alimentation électrique, suggérant de laisser chacun refroidir pendant de plus longues périodes. Malgré cela, lors de la dernière excursion du troisième jour d’Apollo 16, les batteries LRV ont dépassé leur température maximale de survie, atteignant 62°C à la fin de la mission. Heureusement, les batteries du LRV ont bien fonctionné malgré les températures torrides et aucun astronaute n’a dû rentrer à pied. Sur Apollo 17, un contrôle minutieux de la poussière et le stationnement du LRV plus loin du module d’atterrissage lunaire (qui émettait d’immenses quantités de chaleur) ont permis de maintenir la température de la batterie dans des plages acceptables.

Vers Artémis et au-delà

Alors que la NASA a prévu le retour de l’humanité sur la Lune avec le projet Artemis, il n’y a pas de mot officiel sur le prochain petit véhicule qui montera à bord, bien qu’il y ait de nombreux prétendants, dont l’un est un projet commun GM/Lockheed propulsé par Ultium. Bien que l’avenir d’Ultium soit encore incertain, il est probable que le prochain véhicule qui traversera la Lune utilisera des batteries lithium-ion, tout comme les véhicules électriques terrestres, avec des stratégies de gestion de la température similaires.

Il est probable que le nouveau rover aura également des capacités de contrôle à distance, comme la sonde NASA VIPER Moon Rover qui devrait être lancée plus tard dans l’année. La seule chose à laquelle les ingénieurs devront encore faire face, quoi qu’il arrive ? La poussière… car elle ne change jamais.