Des chercheurs de l’Institut de recherche en électrotechnologie de Corée du Sud (KERI) ont développé un nouveau formalisme d’efficacité thermoélectrique et un module de générateur d’énergie thermoélectrique multistage à haute efficacité.
Cette innovation ayant la capacité d’améliorer les performances des batteries nucléaires, essentielles pour les sondes spatiales, a attiré l’attention de l’Institut allemand de recherche aérospatiale.
Le générateur thermoélectrique à radioisotopes
Un générateur thermoélectrique à radio-isotopes (RTG), connu sous le nom de batterie nucléaire à base de thermoélectricité, est une source d’énergie fiable qui a été utilisée dans les sondes spatiales, les rovers et d’autres opérations à distance.
Dans un RTG, des radioisotopes comme le plutonium-238 et l’américium-241 se désintègrent à l’intérieur d’un récipient scellé, produisant une chaleur substantielle – généralement de 400 à 700 degrés Celsius.
Le RTG capture cette chaleur et convertit directement l’énergie thermique en énergie électrique dans l’environnement froid de l’espace.
Les composants clés de la technologie RTG
Les composants clés de la technologie RTG sont l’« Unité de Chaleur Radioisotopique (RHU) », qui utilise des isotopes radioactifs comme élément chauffant, et le « module de générateur d’énergie thermoélectrique » qui convertit cette chaleur en électricité.
Alors que le développement de la RHU est contraint par des restrictions internationales, la technologie de fabrication de modules thermoélectriques de la Corée du Sud est considérée comme étant compétitive à l’échelle mondiale.
L’importance du design multistage
Dans les RTG, les modules d’énergie thermoélectrique sont conçus avec un agencement en couches de matériaux thermoélectriques, passant des côtés chauds aux côtés froids, chacun optimisé pour une performance maximale dans des plages de température spécifiques.
Ce design à plusieurs niveaux est crucial étant donné la dépendance inhérente de l’efficacité du matériau thermoélectrique à la température. Positionner stratégiquement les matériaux les plus performants en fonction de la distribution de la température est essentiel.
L’accomplissement marquant du KERI
L’accomplissement marquant du KERI est leur conception, synthèse et analyse de classe mondiale de ce module thermoélectrique en couches hautement efficace.
Initialement, l’équipe de recherche a identifié les lacunes et les contraintes de la ‘figure de mérite thermoélectrique sans dimension (ZT)’, une métrique traditionnelle utilisée conventionnellement dans le milieu universitaire pour évaluer la performance thermoélectrique. Ils ont ensuite formulé avec succès un nouveau formalisme d’efficacité thermoélectrique et des équations qui permettent des prédictions d’efficacité précises.
En synthèse
L’équipe de recherche du KERI a réussi à fabriquer des modules thermoélectriques à plusieurs étages, atteignant une efficacité qui dépasse celle des modules à étage unique de plus de 3% lorsque le côté chaud dépasse 500°C.
De plus, leur méthode de fabrication innovante permet à ces modules d’être composés de deux à quatre couches, toutes s’insérant de manière compacte dans une hauteur de seulement quelques millimètres. Cette avancée assure non seulement une efficacité accrue, mais offre également une compacité supérieure et un design léger par rapport aux méthodes précédentes.
Un tel jalon compétitif à l’échelle internationale se démarque particulièrement sur le marché de l’énergie auxiliaire spatiale – en particulier pour les petits satellites et les rovers d’exploration – attirant une attention significative dans le secteur commercial civil.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un générateur thermoélectrique à radioisotopes (RTG) ?
Un RTG est une source d’énergie fiable utilisée dans les sondes spatiales, les rovers et d’autres opérations à distance. Il utilise des radio-isotopes qui se désintègrent à l’intérieur d’un récipient scellé, produisant une chaleur substantielle qui est ensuite convertie en énergie électrique.
Quels sont les composants clés de la technologie RTG ?
Les composants clés sont l’«Unité de Chaleur Radioisotopique (RHU)», qui utilise des isotopes radioactifs comme élément chauffant, et le « module de générateur d’énergie thermoélectrique » qui convertit cette chaleur en électricité.
Pourquoi le design multistage est-il important dans les RTG ?
Le design à plusieurs niveaux est crucial car l’efficacité du matériau thermoélectrique dépend de la température. Les matériaux les plus performants sont stratégiquement positionnés en fonction de la distribution de la température.
Qu’a accompli l’équipe de recherche du KERI ?
L’équipe a conçu, synthétisé et analysé un module thermoélectrique en couches hautement efficace. Ils ont également formulé un nouveau formalisme d’efficacité thermoélectrique et des équations qui permettent des prédictions d’efficacité précises.
Quels sont les avantages de cette nouvelle technologie ?
La technologie développée par le KERI permet d’obtenir une efficacité supérieure de plus de 3% par rapport aux modules à étage unique lorsque le côté chaud dépasse 500 degrés Celsius. De plus, elle offre une compacité supérieure et un design léger par rapport aux méthodes précédentes.
Légende illustration principale : Mesure des performances des matériaux thermoélectriques. Crédit : Korea Electrotechnology Research Institute
Source : Drs. SuDong Park, Byungki Ryu, and Jaywan Chung of the Korea Electrotechnology Research Institute (KERI)
