Cet essai de surcharge d'un élément de batterie lithium-ion dans les installations d'essais du CEA en France a entraîné une explosion. Crédit :ESA/Airbus
Les ingénieurs sont descendus dans des bunkers pour tester les batteries spatiales jusqu'à la destruction - par surchauffe, surcharge, courts-circuits et même en leur tirant dessus avec des balles. La campagne d'essais de trois ans permet d'évaluer le risque d'explosion en orbite de satellites abandonnés en raison de réactions catastrophiques des batteries.
Des tests d'« abus » extrêmes de la génération actuelle de batteries lithium-ion pour l'espace ont eu lieu dans les bunkers d'essai du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) de France.
L'objectif était d'élaborer des lignes directrices pour garantir que les batteries à bord des satellites restent inactives en toute sécurité après la fin d'une mission spatiale, aider à éviter les ruptures de satellite, une source majeure de débris spatiaux.
« Sur plus de 250 explosions de satellites connues qui ont eu lieu en orbite, environ 10 ont été dus à des piles, " explique François Bausier, ingénieur en systèmes de puissance de l'ESA, superviser le projet.
"Toutes les explosions de batteries dans le passé provenaient de technologies plus anciennes qui ne sont plus utilisées pour les nouvelles missions de l'ESA.
"Les batteries lithium-ion actuelles pour l'espace n'ont jamais été observées se briser en vol, mais ils peuvent bien exploser si thermiquement, abusé électriquement ou mécaniquement. Par conséquent, nous les avons soumis à des conditions extrêmement difficiles pour simuler ce que les batteries pourraient rencontrer une fois qu'une mission spatiale est terminée et qu'un satellite est laissé à la dérive en orbite."
Cette surcharge de test « d'abus » d'un module de batterie spatiale a conduit à des températures de 950 °C et finalement à une explosion. Crédit :ESA/Airbus
Se déroulant dans le cadre de l'initiative Clean Space de l'ESA, les tests sont le résultat d'un objectif plus large visant à sécuriser les satellites une fois leur mission terminée en les mettant complètement hors tension.
Plus de 200 tests d'abus ont eu lieu sur différents types de cellules et de modules de batterie, ce qui signifie que plusieurs cellules sont connectées ensemble. Ces cellules étaient soit neuves, soit soumises à un rayonnement spatial simulé et chargées et déchargées plusieurs fois pour les vieillir.
Les tests ont porté sur le fonctionnement des systèmes de protection internes au sein des cellules elles-mêmes dans des conditions extrêmes, tels que les disjoncteurs internes ou les mécanismes de ventilation en cas de surpression.
Les méthodes de destruction comprenaient des courts-circuits externes et internes, les pannes qui pourraient survenir en raison de problèmes d'isolation, défaillances structurelles ou défauts de fabrication ; d'autres tests comprenaient une surcharge entraînant une surchauffe ainsi que des tests de surchauffe directe.
Un satellite du programme de satellite météorologique de défense de l'US Air Force (DMSP), un satellite météorologique militaire situé en orbite terrestre basse. Le DMSP-13 s'est fragmenté en une quarantaine de morceaux le 3 février 2015. Cette explosion aurait été provoquée par une surcharge de batterie. Crédit :USAF
Des tests de « surdécharge » ont également été effectués afin de déterminer si une telle méthode de décharge pouvait réellement être utilisée pour «passiver» en toute sécurité les batteries en fin de vie.
Les températures élevées de la batterie - telles que celles qui peuvent être rencontrées lorsqu'un satellite à la dérive languit sous la lumière du soleil orbital - peuvent déclencher des réactions très rapides, parfois trop rapide pour que les systèmes de protection se déclenchent.
"Une autre méthode d'abus consistait à simuler une frappe d'un micrométéoroïde ou d'un débris spatial, " ajoute François. " Les vitesses orbitales peuvent dépasser 20 km/s; nous n'avons pas pu atteindre cette vitesse au sol, nous avons donc décidé d'utiliser une balle plus grosse à la place – 8 mm au lieu de 0,8 mm. Avec cette configuration, la même énergie globale a été obtenue."
La plupart des tests ont eu lieu dans une atmosphère inerte, manque d'oxygène, pour correspondre à l'environnement orbital. Mais ce manque d'oxygène ne signifie pas forcément que les réactions sont tellement moins violentes, car les cellules elles-mêmes contiennent à la fois du combustible et du comburant pour la combustion.
Pour simuler un impact micrométéoroïde, une balle de 8 mm a été tirée dans une cellule de batterie spatiale pour simuler un impact micrométéoroïde. Crédit :ESA/Airbus
Les recommandations de passivation des satellites qui en découlent incluent que les batteries doivent être déchargées autant que possible à la fin de leur mission, et être complètement déconnecté des panneaux solaires pour éviter toute charge supplémentaire ou surcharge. De plus, les batteries doivent être conservées à des températures sûres. Ces recommandations devraient idéalement être prises en compte dès le début de la phase de conception de la mission.
Maria Nestoridi, spécialiste des batteries de l'ESA, a soutenu ce projet. "Il est important de comprendre que les recommandations de cette activité sont basées sur des tests effectués sur des cellules lithium-ion actuellement qualifiées pour l'espace. Les seuils pour les nouvelles conceptions de cellules devront bien sûr être définis à l'avenir par les fabricants de batteries respectifs."
Crédit :Agence spatiale européenne
La passivation est un enjeu important pour tous les satellites, mais en particulier pour ceux en orbite terrestre basse très fréquentée à moins de 2000 km d'altitude, où les réglementations internationales exigent une désorbitation post-mission dans un délai de 25 ans, et que ces satellites restent inactifs en toute sécurité dans l'intervalle.
