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GPHS-RTG

Générateur thermoélectrique à radioisotope utilisé par les sondes spatiales de la NASA pour produire de l'énergie électrique.

Le GPHS-RTG (de l'anglais General Purpose Heat Source – Radioisotope Thermoelectric Generator) est un générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG en anglais) développé par l'agence spatiale américaine, la NASA, pour alimenter en énergie électrique ses sondes spatiales devant survoler les planètes externes du système solaire (Jupiter, Saturne, Pluton). Il est constitué d'une part d'éléments chauffants à radioisotope (RHU en anglais) au plutonium 238 et d'autre part d'un générateur électrique constitués de thermocouples en alliage silicium-germanium.

(en) Schéma du GPHS-TRG utilisé par les sondes Ulysses, Galileo, Cassini-Huygens et New Horizons.

Ce RTG, à ce jour (2026) le plus puissant produit pour les besoins de la NASA, générait près de 300 Watts d'énergie électrique. Un à trois exemplaires ont été installés à bord de quatre sondes spatiales entre 1990 et 2010. Sa production a été arrêtée et il a été remplacé par le générateur thermoélectrique à radioisotope multi-mission (MMRTG) de puissance nettement moindre (108 Watts) suite à la décision de la NASA à l'époque d'abandonner les missions flagships au profit de missions moins coûteuses ("faster, cheaper, better").

La NASA et les générateurs thermoélectriques à radio-isotope

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Courant 2026 la NASA a développé successivement quatre générations de générateur thermoélectrique à radio-isotope. Dans l'ordre chronologique ce sont :

Principales caractéristiques des générateurs thermoélectriques à radioisotope de la NASA[5]
Caractéristique SNAP-19 SNAP-27[6] MHW-RTG GPHS-RTG MMRTG
En productionnonnonnonnonoui
Énergie électrique40 W70 W157 W285 W108 W
Énergie thermiqueW1430 W2243 W4215 W1893 W
Masse totale15,2 kg20 kg38 kg56 kg45 kg
Masse plutonium4,5 kg7,6 kg4,8 kg
Ratio énergie/masse3,5 W4,2 W5,1 W2,8 W
Rendement6,5%6,3%
Dimensions extérieures46 cm x ∅ 41 cm58 cm x ∅ 40 cm114 cm x ∅ 42 cm67 cm x ∅ 64 cm
Exemples de missionPioneer 10 et 11 (1972), Viking 1 et 2 (1975)Apollo 12 à 17 (1969-1972)Voyager 1 et 2 (1977)Galileo (1989), Cassini-Huygens (1997)Mars Science Laboratory (2011), Mars 2020 (2020), Dragonfly (2028)

Développement du GPHS-RTG

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Schéma d'un empilement d'éléments chauffants tels qu'utilisé par un RTG.
Photo d'un élément de plutonium utilisé par le RTG porté au rouge par la radioactivé.

Le GPHS-RTG a été conçu pour répondre aux besoins de deux missions conjointes de la NASA et de l'Agence spatiale européenne (programme International Solar Polar Mission ou ISPM) qui devaient collecter simultanément des données sur les deux pôles opposés du Soleil ainsi que de la sonde spatiale Galileo (lancée en 1989) à destination de Jupiter. Initialement ces engins devaient être équipés avec un autre type de RTG mais des problèmes rencontré dans la mise au point des thermocouples entrainèrent le développement du GPHS-RTG. Les modalités de montage du RTG sur les engins ISPM ont imposé des contraintes sur la masse, le centre de masse et le moment d'inertie. Les mesures de sureté nucléaire sont à l'origine de la conception du GPHS. Le programme ISPM et Galileo subirent de nombreux changements. La NASA annula sa participation au programme ISPM et seule la sonde spatiale de l'Agence spatiale, baptisée Ulysses (lancée en 1990), fut développée. Les dates de lancement et les lanceurs furent modifiés. Tous ces changements n'affectèrent pas les capacités du GPHS-RTG[7].

Caractéristiques techniques

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Le GPHS-RTG a un diamètre de 42,2 cm pour une longueur de 1,14 m. Sa masse est de 55,9 kg. Il comprend deux sous-ensembles[7],[8]. :

  • le GPHS (General-Purpose Heat Source). Celui est constitué de 8,1 kg de plutonium 238 qui produisent en début de vie 4400 Watts thermiques.
  • le générateur électrique transforme l'énergie thermique en énergie électrique et produit environ 300 Watts électriques en début de vie. Il est constitué de 572 thermocouples silicium-germanium hérités de la précédente génération de RTG (MHW-RTG). Grâce à un différentiel de température beaucoup plus élevé que les autres RTG (partie chaude à 1000°C et partie froide à 293°C) son rendement est beaucoup plus efficace

Les GPHS-RTG ont été conçus et produits par General Electric Space Division à King of Prussia, en Pennsylvanie (repris par la suite dans les activités de Martin Marietta et de Lockheed Martin).

Utilisation

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Générateur GPHS-RTG de la sonde spatiale New Horizons.

Les générateurs thermoélectrique GPHS-RTG ont été mis en oeuvre par quatre sondes spatiales[9],[10],[7] :

  • Ulysses (1 unité RTG), lancée le ,
  • Galileo (2 unités), lancée le ,
  • Cassini-Huygens (3 unités), lancée le . C'est la mission spatiale ayant bénéficié de la plus importante puissance électrique d'origine isotopique avec 887 Watts électriques à la date de lancement.
  • New Horizons (1 unité), lancée le . Le RTG utilisé comprenait pour partie du plutonium produit 21 ans plus tôt produisant une énergie thermique nettement réduite. L'énergie électrique était de 237 Watts au lancement et de 202 Watts lors du survol de Pluton.

Successeur : le MMRTG

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Les missions spatiales les plus récentes utilisent le successeur du GPHS-RTG le générateur thermoélectrique à radioisotope multi-mission (MMRTG en anglais) développé par Teledyne et de puissance nettement moindre (108 Watts). Cette diminution de puissance a été décidée à la suite du choix de missions moins couteuses ("faster, cheaper, better") par l'administrateur de la NASA de l'époque et l'abandon des missions flagships comme Cassini-Huygens. Parmi les missions ayant utilisé ce nouveau RTG figure l'astromobile martien Curiosity de la mission Mars Science Laboratory lancé en 2013[7].

Notes et références

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  1. ↑ (en) Richard R. Furlong et Earl J. Wahlquist, « U.S. space missions using radioisotope power systems », Nuclear News,‎ , p. 26-34 (DOI ), lire en ligne)
  2. ↑ Radioisotope Power Systems Reference Book for Mission Designers and Planners, p. 24-27
  3. ↑ Radioisotope Power Systems Reference Book for Mission Designers and Planners, p. 28-62
  4. ↑ Radioisotope Power Systems Reference Book for Mission Designers and Planners, p. 11-17
  5. ↑ (en) Young Lee et Brian Bairstow, Radioisotope Power Systems Reference Book for Mission Designers and Planners, Jet Propulsion Laboratory, , 94 p. (lire en ligne)
  6. ↑ (en) Susan S. Voss, SNAP Reactor Overview, Air Force Weapons Laboratory, , 103 p. (lire en ligne), p. 57-81
  7. 1 2 3 4 (en) Gary L. Bennett, James J. Lombardo, Richard J. Hemler, Gil Silverman, C. W. Whitmore, Wayne R. Amos, E. W. Johnson, Roy W. Zocher et James C. Hagan « The General-Purpose Heat Source Radioisotope Thermoelectric Generator : A Truly General-Purpose Space RTG » () (Bibcode 978-0-7354-0486-l/08, lire en ligne) [PDF].
    — Space Technology and Applications International Forum—.
  8. ↑ (en) American Institute of Aeronautics and Astronautics 4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IECEC) – 26-29 juin 2006 à San Diego, Californie, États-Unis « Overview of NASA Program on Development of Radioisotope Power Systems with High Specific Power. »
  9. ↑ (en) Federation of American Scientists 4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IECEC) – 26-29 juin 2006 à San Diego, Californie, États-Unis
    « Mission of Daring : The General-Purpose Heat Source Radioisotope Thermoelectric Generator. »
  10. ↑ (en) Federation of American Scientists 4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IECEC) – 26-29 juin 2006 à San Diego, Californie, États-Unis
    « Space Nuclear Power : Opening the Final Frontier. »

Sources

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  • (en) Gary L. Bennett, James J. Lombardo, Richard J. Hemler, Gil Silverman, C. W. Whitmore, Wayne R. Amos, E. W. Johnson, Roy W. Zocher et James C. Hagan « The General-Purpose Heat Source Radioisotope Thermoelectric Generator : A Truly General-Purpose Space RTG » () (lire en ligne) [PDF].
    — Space Technology and Applications International Forum—.
  • (en) Cronin B. Vining et Gary L. Bennett « Power for Science and Exploration: Upgrading the General-Purpose Heat Source Radioisotope Thermoelectric Generator (GPHS-RTG) » () (DOI 10.2514/6.2010-6598, lire en ligne) [PDF].
    — 46th Joint Propulsion Conference.
  • (en) Young Lee et Brian Bairstow, Radioisotope Power Systems Reference Book for Mission Designers and Planners, Jet Propulsion Laboratory, , 94 p. (lire en ligne)

Voir aussi

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