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HiPER : High Power Electric propulsion


seb24
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En fouillant un peu sur Vasimr je suis tombe sur ce projet européen HiPER.
Visiblement un projet européen pour la propulsion.
On y retrouve notamment les études pour:
- Un moteur HET électrique de 20Kw (qui est visiblement déjà operationnel)
- Un moteur GIE de 20kw
- Un moteur MPDT de 100kw
- Une optimisation pour les panneaux solaires
- Des études pour un réacteur nuc qui pourrait être lance depuis une Ariane5.

http://ec.europa.eu/enterprise/newsroom/cf/_getdocument.cfm?doc_id=6490
http://www.alta-space.com/hiper/publications/IAC-10-C4.4.2.pdf

Si vous avez d'autres informations je suis preneur.

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C'est la première fois que j'en entends parler. En recherchant HiPER sur internet, on tombe surtout sur un projet de laser pour de la fusion.

Pareil, c'est pour ça que je fait remonter. Surtout que ça a l'air de dater de 2011 et que certains éléments ont déjà été teste pour le HET de 20Kw il me semble.

Un peu de doc sur le HET :

http://www.aleph-zero.fr/blog/wp-content/themes/default/images/TopRevPSST2012.pdf

Et pour le reacteur nuc : (enfin du coup ca a l'air d’être un générateur pas un réacteur)

http://www.alta-space.com/hiper/publications/IAC-10.C4.6.5.pdf

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Je ne connais absolument rien à cette étude HiPER.

Ce projet d’un vrai réacteur nucléaire de 200 kW électrique est un objectif particulièrement ambitieux. Ce n’est pas un simple RTG sans aucun mécanismes.

J'ai pas eu le temps de lire en détail les docs. J'avais cru a un RTG justement ? Non ?

Le dernier doc dans les conclusion de l’étude, a l'air de dire que de 200Kw qui rentre dans une Ariane5 c'est trop ambitieux et qu'il faut plutôt miser sur du 100Kw pour débuter.

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C'est une variante entre la RTG et le réacteur ...

Ne pas oublier qu'une RTG reste un mini-réacteur nucléaire a la grosse différence prêt qu'on ne sert pas d'un circuit thermodynamique pour convertir l'énergie thermique en électricité mais un simple effet thermoélectrique de thermo-couple ...

Mais aussi a l'autre différence prêt qu'on ne se sert pas d'un cycle de fission/neutron du combustible comme dans un réacteur qui vont provoquer des fissions en chaine et des neutrons thermiques ect ... Dans une RTG c'est avant tout la radiactivité alpha émise par les fissions de demi-vie naturelle du "combustible" qui est exploitée : les rayons alpha émis a chaque fission de demi vie chauffe le combustible par "collisions" (plus on accumule de masse combustible sur lui même : + les collisions alpha sur les atomes de Pu238 augmentent en chance de ce produire : plus on le fait chauffer ...)

Chaque collisions de particules alpha avec un atome de combustible Pu238 (qui est un noyau d'hélium émis par les fissions naturelles des Pu238 ou d'un autres isotopes combustibles qui en émet lui aussi) produit des photons infrarouge pour faire simple ... Plus on accumule sur lui même en une masse réunie le combustible : plus il chauffe exponentiellement par chance de collision des alphas avec un atome de se produire qui augmente

Puis y a plus qu'a récupérer la chaleur par conduction thermique métallique et conversion de celle ci en énergie électrique par effet Seebeck dans les thermocouples (thermocouples d'alliages germanium dans les cas des RTG spatiale de sondes/rover ect ou applications civiles qui ont existé chez les soviétiques durant une grande période (l'URSS se servait relativement fréquemment de RTG au Strontium 90 pour alimenter les phares cotiers de sécurité maritime dans les zones désertes de son immense territoire ou il était difficile d'avoir des hommes en permanence ect ...)

Apparemment le projet est un mix entre un réacteur et une RTG :

Ce n'est pas vraiment un réacteur nuke car pas vraiment de cycle de neutrons pour le fonctionnement réacteur, mais utilisation comme dans une RTG de la chaleur émise par ricochet alpha produit par le combustible pour générer de la chaleur ...

Mais utilisation d'un circuit de refroidissement thermodynamique a fluide caloporteur/turbine comme un réacteur nucléaire pour produire l'électricité, car a partir d'une certaine échelle : se servir de thermocouple devient un non-sens en terme de rendements ...

C'est donc bien un Mix RTG avec une architecture caloporteur de réacteur ... Ce qui est manifestement le + efficace pour cette échelle de puissance

http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Seebeck

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Concernant les RTG, leur rendement est en effet assez minable actuellement, mais il serait parait-il possible d'augmenter fortement leur rendement en ajoutant en plus des thermocouples des cellules thermophotovoltaïques.

En gros, en disposant autour du RTG des cellules capables de convertir les rayonnements infrarouge en électricité, il serait possible de parvenir à 20-30% de rendement, sans les mécanismes mobiles de l'alternative à base de moteur stirling.

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Oui en effet, d'autant que les labos de développement en photovoltaïque développent actuellement la 2 ème génération de cellule photovoltaïque solaire avec double couche cellules (cellules diodes transparente a l'IR) pour ne s'occuper que des photons du spectre visible classique pour produire l'électricité, et des cellules photovoltaïques IR en fond qui transforment l'IR en électricité ... Il existent en labo, leur sorti en grand public normalement est pour dans quelques années pour la production série : Mais en applications spatiales probablement que c'est déja possible de s'en servir vu que pas besoin de production industrielle a grande échelle ...

Ceci dit je pense que pour l'instant les panneaux photovolt a tellurure Gal/ou a arséniure de Gallium ect sont si efficace dans leur domaine (rendement beaucoup + haut que les cellules sillicium : au moins le double il me semble ou 150% voir entre les 2 ... Que dans le spatial ils sont pas pressés de voir arriver des panneaux silicium/IR double couche qui n'ont il me semble pas un rendement + haut de toute façon

Ceci dit toute façon la je parle de photovoltaïque solaire ce qui n'a pas grand chose a voir avec la proposition de Carl je reconnais, mais il y a le lien de production : pour en produire a petites séries il faut une demande ... Et seul le photovolt solaire spatial pourrait provoquer cette demande :

Mais je doute qu'ils renoncent aux arséniure gallium qui ont fait leur preuve ... Et ont des rendements en solaire toujours + satisfaisant en augmentation pour preuve : La Nasa a bien réussi a envoyer une sonde uniquement solaire vers Jupiter avec cette technologie chose qui n'aurait pas été possible il y a 10 ans sans progression de rendement des arséniure/tellurure que les labos vont gagner en rendement tout le temps en grattant des 0,5% si et la chaque années ...

  Mais l'idée est bonne pour augmenter le rendement des petites RTG dans l'avenir : si on voit d'autres petites RTG spatiale (la production de Pu238 est quasi en berne dans le monde ... Les russes n'en produisent plus, les européens en produisaient avant que très peu pour les labos de science nucléaire, les USA ont fermé des mini réacteurs a lithium/combustible pour en produire (le lithium est nécessaire quand on veut faire du Pu238 pur) et ne surfent plus que sur une très faible production et stock mondiaux existant qu'ils rachètent pour leur rover ou sat militaire espion, sondes ect ...

  Bref l'utilisation des RTG au Pu238 est au bord de la rupture du possible dans la situation actuelle ou presque plus n'est produit, ce type de générateur qu'on pourrait nommer de "moyenne puissance" (de l'ordre de centaines de KW) pourrait relancer sensiblement la demande et la production dans le monde mais bon ... Il faut que les puissances nucléaires & spatiales en aient la volonté aussi pour réouvrir des petits réacteurs de production de ce plutonium très particulier et délicat a manipuler en logistique (la moindre pastille monte au rouge en 1 seconde si on fait l'erreur de manipulation de la rapprocher d'une autre = risque incendie et radiologique majeur : c'est aussi dangereux que manipuler du Pu239 avec des matériaux miroirs de neutrons sans s'en rendre compte comme les accidents radiologique du passé avec des plaques de cuivre qui déclenchait des criticités "flash" potentiellement mortelle pour les scientifiques étourdies : que le plutonium soit solide ou liquide ... Me semble il y a eu + de 50 accidents graves de labo comme ça dans l'histoire dont au moins 10 mortels)  Le Pu238 comme le 239 personne n'aime trop le manipuler : les erreurs et étourderies en labo peuvent se payer cher ...

Carl : on pourrait aussi extrapoler l'inverse :  se servir de thermocouples spécialisé dans les basse température (ça existe, je veux dire des thermocouples dont les plages de fonctionnement seraient dans les -10 a 60°c) pour augmenter encore le rendement des panneaux solaires civils futurs qui seraient bi-couche : silicium-diode transparent, IR et une couche de fond en thermocouples basse t° qui exploiterait la chaleur restante par conduction thermique

  Ce qui devrait permettre de gratter toujours + de rendement ...

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Même à 100 kW, un tel réacteur reste impressionnant et intéressant.

La Nasa avait lancé l’étude d’une sonde totalement nucléaire vers Jupiter. Le réacteur était utilisé pour la propulsion électrique. Une fois arrivé en orbite autour de Jupiter, le réacteur était utilisé pour alimenter un puissant radar. Il est facile de comprendre qu’un radar ne fonctionne pas de la même manière avec quelques Watt qu’avec 100 kW.

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Carl : on pourrait aussi extrapoler l'inverse :  se servir de thermocouples spécialisé dans les basse température (ça existe, je veux dire des thermocouples dont les plages de fonctionnement seraient dans les -10 a 60°c) pour augmenter encore le rendement des panneaux solaires civils futurs qui seraient bi-couche : silicium-diode transparent, IR et une couche de fond en thermocouples basse t° qui exploiterait la chaleur restante par conduction thermique

Ce qui devrait permettre de gratter toujours + de rendement ...

Je sais pas, comme les thermocouples ont de base un rendement faible, le gain en énergie récupéré doit être assez faible par rapport à la masse en plus. En fait, je me demande s'il ne serait pas plus intéressant d'avoir plusieurs enceintes de cellules thermophotovoltaïques.

Je m'explique : Si on prend un système avec un coeur en Plutonium 238 ou en Strontium 90 (moins bien mais courant et pas cher), enrobé dans une matière qui émet dans la bonne longueur d'onde, le tout dans du vide et maintenu en place magnétiquement par exemple. L'énergie du coeur ne peut qu'être dissipée en rayonnements IR et à la limite du visible dans le rouge.

Si on a autour des cellules thermophotovoltaïques qui arrivent à sortir 25% de rendement electrique avec ce rayonnement, où vont les 75% restant ? Je suppose que c'est aussi en chaleur, donc cet ensemble pourrait constituer un 2eme coeur émettant des IR reçus par une 2eme enceinte de cellules thermophotovoltaïques récupérant 25% de ces 75%, donc près de 45% pour l'ensemble. Et avec une 3eme enceinte, on aurait plus de 55% de rendement global.

Théoriquement, ça paraît pas super, mais il doit y avoir un problème quelque part dans le raisonnement car ça parait trop beau pour être vrai  :-[

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Je pense que c'est propre au thermocouple dans son mode de fonctionnement a l'échelle micro dans les contacts ...

Tu sais a la base le thermocouple n'a pas été inventé pour faire du jus mais une lecture de donnée (t° ...) le thermocouple étant la base fondamentale de la lecture de t° par un moyen électrique ... S'en servir comme un moyen de produire de l'électricité n'est venu qu'assez tard car a l'évidence il a un rendement mauvais ...

Mais on s'en sert quand même pour les GTR spatiaux ou systèmes géographiquement isolés (par les sovietiques) car a l'échelle d'une sonde : ils ont quand même un excellent score en termes de rendements élec comparé au volume qu'il occupe et a la masse ou il handicape la sonde ... En gros sur une sonde un GTR est une brique de 60 cm de long, sur 20/25 de large et hauteur ou tout le système est condensé la dedans (sur curiosity je crois il est clairement visible au cul du bestiau : très certainement la pour ne pas trop gêner les spectroscopes embarqués par la source de chaleur : car c'est chaud un GTR ...)

La ou dans certaines sondes on construisait le système autour de la brique pour profiter de sa chaleur si l'électronique embarquée craignait un peu trop le froid spatial ... Mais depuis une trentaine d'années plus trop car les spectroscopes très sensibles sont devenus quasi systématiques et du coup plus question de construire la sonde autour  :  et pallier le souci du froid et de l'électronique trop sensible a ce froid coté ombre de la sonde (soit coté nuit spatiale a -200°c ou 100K : car a cette t° beaucoup de micro-pistes électroniques sont si rétractées qu'elles peuvent engendrer une rupture circuit puis refonctionner nomalement a t° + élevées si la rupture n'est pas définitive ... Hé oui le froid intense peu faire de gros dégat sur ce genre de circuit)

  Les thermocouples ont beau avoir un rendement ridicule par rapport a un système thermodynamique de transformation de chaleur en mouvement > électricité ... Il n'empêche qu'ils sont quand même le meilleur système en masse occupant un engin ou le moindre gramme de trop peu compromettre la mission et donc au final supérieur aux panneaux solaire pour cette raison la précisément

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