Énergie pour l'orbite

Satellites, comme ce petit satellite de la TU Berlin, dépendent alors de batteries lorsqu'ils traversent l'ombre de la Terre sur leur orbite et que leurs cellules solaires ne peuvent pas produire d'énergie.

Au cœur de « SpaceBox » se trouve un module de batterie basé sur une technologie innovante au lithium-soufre. Ces batteries peuvent stocker beaucoup plus d'énergie que les batteries lithium-ion actuellement courantes, pour un poids équivalent. Pour comparer : dans la boîte à batteries illustrée du satellite TUBIN de la TU Berlin, deux packs de batteries lithium-ion sont actuellement installés.

Une priorité de la TU Berlin concerne le système de gestion de batteries, qui surveille la tension, le courant, la température et l'état de charge des cellules, garantissant ainsi un fonctionnement sûr dans l'espace. Le développement s'appuie notamment sur l'expérience acquise lors des missions satellitaires réussies TUBIN. On peut voir ici le satellite TUBIN entièrement intégré dans le laboratoire du département de technologie spatiale.

Les satellites dépendent de stockages d'énergie fiables : lorsqu'ils traversent l'ombre de la Terre sur leur orbite, leurs cellules solaires ne peuvent pas produire d'énergie. Les batteries comblent ces phases et soutiennent le fonctionnement même lorsque, à bord, une puissance plus importante est temporairement requise par rapport à ce que peuvent fournir les cellules solaires. Dans le cadre du projet de recherche « SpaceBox », un consortium berlinois composé de scientifiques et d'industriels développe une nouvelle génération de batteries pour l'espace. L'objectif est un système de batteries intégré, beaucoup plus léger et performant que les solutions actuelles, tout en résistant aux exigences élevées de l'espace.

Plus d'énergie avec moins de poids

Au cœur de « SpaceBox » se trouve un module de batteries entièrement intégré basé sur une technologie innovante au lithium-soufre. Ces batteries peuvent stocker nettement plus d'énergie pour un poids équivalent que les batteries lithium-ion courantes. C'est un avantage décisif pour les satellites : chaque kilogramme économisé réduit les coûts de transport vers l'espace et offre une marge pour une charge utile supplémentaire, des missions plus longues ou des plateformes satellites plus petites et moins coûteuses. La technologie lithium-soufre utilisée dans le projet, qui sera également améliorée, vise à atteindre des densités d'énergie de plus de 300 wattheures par kilogramme (Wh/kg). En comparaison : les batteries lithium-ion, généralement utilisées, ont une densité typique d'environ 150 Wh/kg.

Tests dans des conditions spatiales

À la fin du projet, un démonstrateur qualifié devra démontrer que la technologie convient pour de futures missions spatiales. Pour cela, le département de technologie spatiale de l'Université technique de Berlin teste des cellules de batteries, de l’électronique, un système de gestion de batteries et le module entièrement intégré dans des conditions spatiales réalistes.

Les applications ciblées incluent l'orbite terrestre basse (LEO), où évoluent la majorité des satellites, ainsi que des possibilités d'utilisation au-delà. À mesure que la distance par rapport à la Terre augmente, la protection offerte par le champ magnétique diminue, ce qui entraîne une augmentation significative de l'exposition aux radiations. Cela peut provoquer une baisse de performance, des erreurs ou des défaillances des systèmes électroniques.

Les tests de qualification spatiale comprennent notamment des essais thermovac, de choc et de vibration, des cycles de charge-décharge, ainsi que des séries de tests de résistance aux radiations spatiales. Ils doivent prouver la performance du système dans des conditions de mission réalistes tout en déterminant ses limites d'utilisation.

TU Berlin assure l'intégration du système

Le département de technologie spatiale de l'Université technique de Berlin joue un rôle central en tant qu'intégrateur système dans le consortium. Il définit les exigences pour le module de batteries, développe le système de gestion de batteries, coordonne les tests de qualification et est responsable de l'intégration du système global.

« Avec SpaceBox, nous combinons notre longue expérience dans le développement de systèmes satellitaires avec une technologie de batteries prometteuse », déclare Philipp Werner, ingénieur système au département de technologie spatiale de l'Université technique de Berlin. « L'objectif est de développer un système de stockage d'énergie entièrement intégré et qualifié pour l'espace, rendant les futures missions satellitaires plus performantes et plus efficaces. »

Sécurité et surveillance en orbite

Un point particulier de l'attention de TU Berlin concerne le système de gestion de batteries. Il garantit que la batterie fonctionne de manière sûre et fiable dans l'espace. Pour cela, il surveille en permanence des valeurs importantes telles que la tension, le courant, la température et l’état de charge de chaque cellule. Ainsi, le système peut détecter précocement tout dysfonctionnement et déclencher des mesures de protection appropriées. De plus, le système de gestion équilibre les cellules pour qu'elles soient soumises à des charges aussi uniformes que possible. Cela contribue à maintenir la performance et la durée de vie de la batterie, même dans les conditions particulières de l’espace. Le développement s’appuie sur l’expérience acquise avec des développements internes du département de technologie spatiale pour les missions satellitaires réussies TechnoSat et TUBIN. Un large catalogue de matériel qualifié et de logiciels modulaires est déjà disponible et sera amélioré dans le cadre du projet.

Bonne collaboration

« En ce qui concerne les cellules de batteries pour les applications spatiales, nous devons souvent faire appel à des partenaires internationaux », explique Philipp Werner. « Un partenaire national compétent, capable à l'avenir de proposer nos cellules qualifiées pour l’espace, est déjà une grande avancée pour les projets spatiaux allemands. » Les partenaires du projet sont le département de technologie spatiale de l'Université technique de Berlin, les développeurs berlinois de cellules de batteries de la société theion GmbH, qui conçoivent les nouvelles cellules de batteries, et la société Space Structures GmbH, qui développe un boîtier léger et robuste. Le projet est financé par le ministère fédéral de la Recherche, de la Technologie et de l’Espace via l’Agence spatiale allemande (DLR) avec environ 3 millions d'euros, et dure 30 mois.

Une longue expérience avec les nanosatellites et la relève scientifique

Le département de technologie spatiale de l'Université technique de Berlin possède une longue expérience dans le développement, la fabrication, la vérification et l’exploitation de nanosatellites. Depuis 1991, 31 nanosatellites ont été lancés et exploités avec succès, impliquant l'Université technique de Berlin. Les activités de recherche actuelles vont des plateformes CubeSat et microsatellites jusqu’aux missions vers la Lune et Vénus. L’accent est mis notamment sur l’électronique spatiale robuste, l’intégration systémique et les questions de résistance aux radiations.

Au-delà des objectifs technologiques, « SpaceBox » contribue également à la formation de jeunes chercheurs. Des doctorants et des étudiants sont activement impliqués dans les travaux de recherche. Parmi les plans figurent notamment trois postes d’assistants étudiants. Ils acquièrent dans le cadre du projet des compétences dans les domaines des technologies de stockage électrochimique, de la gestion des batteries, des systèmes spatiaux et de l’intégration systémique.