Tout possesseur de voiture électrique le sait : lorsque vous démarrez votre véhicule lors d’une froide matinée de décembre, son autonomie prend une méchante claque, même s’il est possible de l’optimiser un peu. Une problématique à laquelle la NASA n’échappe pas malgré ses décennies d’expertise en matière d’ingénierie spatiale. Au pôle Sud lunaire, là où l’agence américaine prévoit d’envoyer ses astronautes pour la suite du programme Artemis, les nuits sont rudes : les températures peuvent plonger jusqu’à −200 °C. Lorsque le jour se lève, le mercure remonte tout au long de la journée, mais les températures restent tout de même hostiles, puisqu’elles peuvent grimper à 100 °C en plein soleil.
Un écart abyssal de 300 °C intenable pour les batteries lithium-ion conventionnelles, qui ne peuvent pas encaisser un tel choc thermique, sans parler des contraintes imposées par le vide spatial. Voilà pourquoi la NASA a lancé cette année le projet SPEARS (Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space) mené depuis le Glenn Research Center situé à Cleveland (Ohio, États-Unis). « Les batteries font partie intégrante de notre quotidien sur Terre : elles alimentent nos ordinateurs, nos téléphones, nos outils et même nos véhicules », rappelle Donald Dornbusch, chercheur principal du projet. « Nous en aurons aussi besoin sur la Lune, et elles devront fonctionner de manière fiable et sûre dans cet environnement hostile. C’est la raison pour laquelle nous travaillons sur cette technologie », poursuit-il.
Les nuits lunaires : un cauchemar pour les batteries lithium-ion
Dans une batterie lithium-ion classique, les ions lithium circulent d’une électrode à l’autre à travers un électrolyte liquide, un milieu conducteur qui permet leur circulation et participe ainsi à la production d’électricité. C’est ce liquide qui pose problème : il gèlerait s’il était placé dans le froid lunaire, ce qui endommagerait irréversiblement la cellule. Dans le vide spatial, il s’évaporerait, puisque la pression atmosphérique est insuffisante pour le maintenir à l’état liquide. Il peut également prendre feu en cas de perforation de la cellule, puisque les électrolytes utilisés dans les batteries lithium-ion sont généralement constitués de solvants organiques inflammables.
Trois vulnérabilités que le projet SPEARS élimine, en remplaçant l’électrolyte liquide par un électrolyte sous forme solide, à base de céramique ou de polymère, qui assure la même fonction de transport ionique sans aucun de ces risques.
Les premiers prototypes sont déjà là, au format de pile bouton, semblables à celles que l’on retrouve dans de petits appareils électroniques comme les montres ou les calculatrices. Ils ont été soumis à des tests en chambre à vide thermique au Langley Research Center, qui simulent les conditions extrêmes de l’espace, dont le vide et les températures. Les premiers résultats sont plutôt encourageants, puisque les cellules ont fonctionné normalement jusqu’à −60 °C, et avec des performances légèrement réduites jusqu’à −80 °C.
Au-delà, les cellules ne fonctionnent plus, mais elles ne meurent pas non plus : exposées à des cycles thermiques allant de +100 °C à −170 °C, elles n’ont subi aucun dommage structurel. Une caractéristique intéressante, car elle signifie qu’une batterie dotée d’un électrolyte solide pourrait survivre aux températures nocturnes lunaires en état de veille, puis être réactivée au lever du jour par un petit système de chauffage. Cela éviterait ainsi de la maintenir à température stable pendant les 14 jours de la nuit lunaire.
Pour les ingénieurs du programme Artemis, cette propriété est on ne peut plus déterminante. Tout équipement que la NASA enverra au pôle Sud lunaire (rover, foreuse, station scientifique, relais de communication) devra affronter ces longues périodes de froid glacial. Avec des batteries lithium-ion, les ingénieurs seraient contraints d’embarquer des systèmes de chauffage (résistances, isolants, voire radioisotopes) pour empêcher les électrolytes de geler et de détruire les cellules pendant toute cette durée. Du matériel énergivore, onéreux, lourd et imposant qui représenterait donc un surcoût trop important.
S’en affranchir, ne serait-ce qu’en partie, permettrait de concevoir des rovers, des outils, des instruments scientifiques ou des habitats plus légers et plus résilients une fois placés en conditions réelles.
Yi Lin, responsable des tests du projet SPEARS au Langley Research Center, met en avant l’autre atout de ces batteries : leur modularité. « On peut adapter la chimie en utilisant des matériaux d’électrode différents », explique-t-il. « Tout comme la chimie de vos écouteurs est différente de celle de votre téléphone, qui est différente de celle de votre voiture, toutes ces chimies peuvent fonctionner avec un électrolyte solide. On peut optimiser pour l’énergie, pour la puissance ou pour la durabilité, selon l’application. »
SPEARS : une course contre le timing du programme Artemis
Pour l’instant, le projet n’en est qu’à ses débuts : pour passer du format pile-bouton à un pack de batteries complet, des années de développement seront encore nécessaires. Un timing plutôt serré si on le met en parallèle avec la première feuille de route encadrant l’installation de la base lunaire publiée par la NASA au mois d’avril de cette année. Celle-ci prévoyait qu’en 2027, des rovers autonomes seront envoyés sur la Lune (Phase 1 du projet) ; des machines qui, à cette échéance, ne pourront probablement pas compter sur les batteries du projet SPEARS.
Si la NASA veut respecter ses délais, ils rouleront donc équipés de bonnes vieilles batteries lithium-ion. Impossible, pour le moment, de savoir si ces nouvelles batteries seront prêtes pour les phases suivantes, encore plus critiques, car à partir de 2029, la NASA prévoit de poser des infrastructures permanentes et un réseau électrique. Les séjours prolongés d’astronautes, eux, ne sont envisagés que dans les années 2030, lors de la troisième phase du programme. C’est à partir de ce moment-là que la technologie SPEARS deviendrait indispensable, et c’est peut-être cet horizon que visent les ingénieurs du Glenn Research Center, même s’ils se sont bien gardés de s’engager sur une date de déploiement.
