En 2005, le Future In-Space Operations Working Group (FISOWG) a été créé avec l'aide de la NASA pour évaluer comment les progrès des technologies de vol spatial pourraient être utilisés pour faciliter les missions de retour sur la Lune et au-delà. En 2006, le groupe de travail FISO a également créé la série FISO Telecon pour sensibiliser le public et l'éduquer sur les questions relatives à la technologie des vols spatiaux, ingénierie, et scientifique.

Toutes les semaines, la série Telecon organise un séminaire où les experts peuvent partager les dernières nouvelles et développements dans leurs domaines respectifs. Mercredi, 19 avril, dans un séminaire intitulé « Une centrale à combustion de métaux à respiration aérienne pour l'exploration in situ de Vénus », L'ingénieur de la NASA Michael Paul a présenté une nouvelle idée où la technologie existante pourrait être utilisée pour effectuer des missions de plus longue durée vers Vénus.

Pour récapituler l'histoire de l'exploration de Vénus, très peu de sondes ont pu explorer longtemps son atmosphère ou sa surface. Pas étonnant, considérant que la pression atmosphérique sur Vénus est 92 fois supérieure à ce qu'elle est ici sur Terre au niveau de la mer. Sans parler du fait que Vénus est également la planète la plus chaude du système solaire – avec des températures de surface moyennes de 737 K (462 °C; 863,6 °F).

C'est pourquoi ces quelques sondes qui ont réellement exploré l'atmosphère et la surface en détail – comme les sondes et atterrisseurs Venera de l'ère soviétique et la multisonde Pioneer Venus de la NASA – n'ont pu renvoyer des données que pendant quelques heures. Toutes les autres missions vers Vénus ont pris la forme d'orbiteurs ou consistaient en des engins spatiaux effectuant des survols en route vers d'autres destinations.

Ayant travaillé dans les domaines de l'exploration spatiale et de l'ingénierie aérospatiale pendant 20 ans, Michael Paul connaît bien les défis liés au montage de missions sur d'autres planètes. Pendant son séjour au John Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHUAPL), il a contribué aux missions Contour et Stereo de la NASA, et a également joué un rôle déterminant dans le lancement et les premières opérations de la mission MESSENGER vers Mercure.

Cependant, c'est une étude de niveau phare en 2008 – réalisée en collaboration entre JHUAPL et le laboratoire Jet Propulsion (JPL) de la NASA – qui lui a ouvert les yeux sur la nécessité de missions tirant parti du processus connu sous le nom d'utilisation des ressources in situ (ISRU). Comme il l'a déclaré lors du séminaire :

"Cette année-là, nous avons en fait étudié une très grande mission vers Europa qui est devenue l'actuelle mission Europa Clipper. Et nous avons également étudié une mission phare vers Saturne, à Titan en particulier. L'étude de la mission du système Titan-Saturne m'a vraiment ouvert les yeux sur ce qui pouvait être fait et pourquoi nous devrions faire beaucoup d'explorations plus aventureuses et plus agressives d'in-situ à certains endroits. »

La mission phare vers Titan était le sujet des travaux de Paul depuis qu'il a rejoint le laboratoire de recherche appliquée de Penn Sate en 2009. Pendant son séjour là-bas, il est devenu membre du programme NIAC (Innovative Advanced Concepts Program) de la NASA pour sa co-création du sous-marin Titan. Pour cette mission, qui explorera les lacs méthaniers de Titan, Paul a aidé à développer des systèmes d'alimentation sous-marins qui fourniraient de l'énergie aux atterrisseurs planétaires qui ne peuvent pas voir le Soleil.

De retour à JHUAPL, où il est maintenant le responsable de la formulation de la mission spatiale, Paul continue de travailler sur des concepts in-situ qui pourraient permettre des missions dans des endroits du système solaire qui présentent un défi. Exploration in situ, où les ressources locales sont utilisées à diverses fins, présente de nombreux avantages par rapport aux concepts plus traditionnels, dont la rentabilité n'est pas la moindre.

Envisagez une mission qui repose sur des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes multimissions (MMRTG) - où des éléments radioactifs comme le plutonium-238 sont utilisés pour produire de l'électricité. Alors que ce type de système d'alimentation - qui a été utilisé par les atterrisseurs Viking 1 et 2 (envoyés sur Mars en 1979) et le rover Curiosity plus récent - fournit une densité d'énergie inégalée, le coût de telles missions est prohibitif.

Quoi de plus, Les missions in situ pourraient également fonctionner dans des endroits où les cellules solaires conventionnelles ne fonctionneraient pas. Ceux-ci incluent non seulement des emplacements dans le système solaire externe (c'est-à-dire Europe, Titan et Encelade) mais aussi des lieux plus proches de chez nous. Le bassin Pôle Sud-Aitken, par exemple, est un endroit ombragé en permanence sur la Lune que la NASA et d'autres agences spatiales sont intéressantes à explorer (et peut-être à coloniser) en raison de l'abondance de glace d'eau là-bas.

Mais il y a aussi la surface de Vénus, où la lumière du soleil est rare en raison de l'atmosphère dense de la planète. Comme Paul l'a expliqué au cours du séminaire :

« Que pouvez-vous faire avec d'autres systèmes d'alimentation dans des endroits où le soleil ne brille tout simplement pas ? D'accord, vous voulez donc arriver à la surface de Vénus et durer plus de quelques heures. Et je pense qu'au cours des 10 ou 15 dernières années, toutes les missions qui [ont été proposées] à la surface de Vénus avaient à peu près un délai de deux heures. Et ceux-ci ont tous été proposés, aucune de ces missions n'a réellement été effectuée. Et c'est en ligne avec les 2 heures que les atterrisseurs russes ont survécu quand ils sont arrivés là-bas, à la surface de Vénus."

La solution à ce problème, comme Paul le voit, est d'employer un système d'énergie et d'alimentation chimique stocké (SCEPS), également connu sous le nom de moteur Sterling. Cette technologie éprouvée repose sur l'énergie chimique stockée pour produire de l'électricité, et est généralement utilisé dans les systèmes sous-marins. Mais réutilisé pour Vénus, cela pourrait fournir à une mission d'atterrisseur un temps considérable (par rapport aux missions précédentes de Vénus) pour mener des études de surface.

Pour le système électrique que Paul et ses collègues envisagent, le moteur Sterling prendrait du lithium en métal solide (ou éventuellement de l'iode solide), puis le liquéfier avec une charge pyrotechnique. Ce liquide résultant serait ensuite introduit dans une autre chambre où il serait combiné avec un oxydant. Cela produirait de la chaleur et de la combustion, qui servirait ensuite à faire bouillir de l'eau, faire tourner les turbines, et produire de l'électricité.

Un tel système est généralement fermé et ne produit aucun échappement, ce qui le rend très utile pour les systèmes sous-marins qui ne peuvent pas compromettre leur flottabilité. Sur Vénus, un tel système permettrait de produire de l'électricité sans batteries à courte durée de vie, une pile à combustible nucléaire coûteuse, et pourrait fonctionner dans un environnement à faible énergie solaire.

Un avantage supplémentaire pour un tel engin opérant sur Vénus est que l'oxydant serait fourni localement, éliminant ainsi le besoin d'un composant lourd. En laissant simplement entrer du CO2 extérieur - que l'atmosphère de Vénus a en abondance - et en le combinant avec le lithium liquéfié du système (ou l'iode), le système SCEPS pourrait fournir une énergie soutenue pendant plusieurs jours.

Avec l'aide des Innovative Advanced Concepts (NIAC) de la NASA et le financement du programme Hot Operating Temperature Technology (HOTTech) - qui est supervisé par la Division des sciences planétaires de la NASA - Paul et ses collègues ont pu tester leur concept, et a constaté qu'il était capable de produire une chaleur soutenue qui était à la fois contrôlable et accordable.

Une aide supplémentaire est venue du laboratoire COMPASS du Glenn Research Center, étaient des ingénieurs de plusieurs disciplines effectue des analyses de systèmes intégrés de véhicules. De tout cela, un concept de mission connu sous le nom d'Advanced Lithium Venus Explorer (ALIVE) a été développé. Avec l'aide de Steven Oleson, le chef du laboratoire COMPASS du GRC, Paul et son équipe envisagent une mission où un atterrisseur atteindrait la surface de Vénus et l'étudierait pendant 5 à 10 jours.

En tout, c'est une fenêtre opérationnelle comprise entre 120 et 240 heures - en d'autres termes, 60 à 120 fois plus longtemps que les missions précédentes. Cependant, Reste à savoir combien coûterait une telle mission. Selon Paul, cette question est devenue la base d'un débat en cours entre lui et Oleson, qui n'étaient pas d'accord quant à savoir s'il ferait partie du programme Découverte ou du programme Nouvelles frontières.

Comme Paul l'a expliqué, les missions appartenant aux premiers ont été récemment plafonnées entre 450 et 500 millions de dollars tandis que les secondes sont plafonnées à 850 millions de dollars. "Je crois que si tu fais ça bien, vous pourriez le faire entrer dans une mission de découverte, " dit-il. " Ici à l'APL, J'ai vu des idées vraiment compliquées tenir dans un plafond de coûts Discovery. Et je crois que la façon dont nous avons conçu cette mission, vous pouvez le faire pour une mission de découverte. Et ce serait vraiment excitant de le faire."

D'un point de vue purement technologique, ce n'est pas une idée nouvelle. Mais en termes d'exploration spatiale, cela n'a jamais été fait auparavant. Accordé, il y a encore de nombreux tests qui devraient être effectués avant qu'une mission vers Vénus puisse être planifiée. En particulier, il y a les sous-produits créés par la combustion du lithium et du CO2 dans des conditions semblables à celles de Vénus, qui a déjà produit des résultats inattendus lors des tests.

En outre, il y a le problème de l'azote gazeux (N2) - également présent dans l'atmosphère de Vénus - qui s'accumule dans le système, qui aurait besoin d'être ventilé afin d'éviter une éruption. But the advantages of such a system are evident, and Paul and his colleagues are eager to take additional steps to develop it. This summer, they will be doing another test of a lithium SCEPS under the watchful eye of NAIC.

By this time next year, they hope to have completed their analysis and their design for the system, and begin building one which they hope to test in a controlled temperature environment. This will be the first step in what Paul hopes will be a three-year period of testing and development.

"The first year we're basically going to do a lot of number crunching to make sure we got it right, " he said. "The second year we're going to built it, and test it at higher temperatures than room temperature – but not the high temperatures of Venus! And in the third year, we're going to do the high temperature test."

Finalement, the concept could be made to function in any number of high and low temperature conditions, allowing for cost-effective long-duration missions in all kinds of extreme environments. These would include Titan, Europa and Enceladus, but also Venus, the Moon, and perhaps the permanently-shadowed regions on Mercury's poles as well.

Space exploration is always a challenge. Whenever ideas come along that make it possible to peak into more environments, and on a budget to boot, it is time to start researching and developing them.