Choix d'un matériau pour une mission sur Mars : le bouclier thermique

Cet exercice de 5 points, prévu pour environ 50 minutes, est réservé aux candidats ayant choisi l'enseignement de spécialité au bac S 2014 en Asie. Il prend la forme d'une synthèse de documents avec calculs : il faut expliquer le rôle d'une protection thermique, justifier le choix du matériau PICA pour le bouclier de la mission MSL, puis valider l'expression « bouclier thermique » en comparant deux flux thermiques. L'exercice demande autant de rédaction que de calcul.

Premier temps : principe et intérêt d'une protection thermique

Lors de l'entrée dans l'atmosphère, l'engin arrive à très grande vitesse, de l'ordre de 18,3 × 10³ km/h. Les frottements du gaz le freinent : leur travail lui retire de l'énergie cinétique, dont une partie est cédée à la paroi par transfert thermique. La surface peut atteindre 2000 °C, alors que les équipements doivent rester vers 10 °C. Le bouclier est donc une couche placée à l'avant, qui supporte ces températures et ne laisse passer qu'une très faible part de l'énergie. L'accident de Columbia en 2003 rappelle que cette protection est vitale.

Deuxième temps : pourquoi le PICA

Le corrigé rassemble les arguments tirés des documents. Le PICA, composite de fibres de carbone imprégnées de résine phénolique, est isolant, avec une conductivité thermique de 0,1 W·m^-1·K^-1. Il est ablatif : la pyrolyse de la résine et la sublimation du carbone absorbent de l'énergie. Sa couche carbonisée, poreuse et d'émissivité 0,9, évacue une grande partie du flux par rayonnement. Il est léger, avec une densité de 0,35, et durable : l'ablation ne consomme qu'environ 4 mm en 200 s, sur 10 cm d'épaisseur. Les essais montrent enfin que la température chute très vite dans le matériau. Le premier matériau envisagé avait, lui, échoué aux tests de qualification.

Troisième temps : les deux flux thermiques

Sans bouclier, la variation d'énergie cinétique vaut -5,00 × 10¹⁰ J. En retenant 20 % de sa valeur absolue, l'énergie thermique mise en jeu est de 1,0 × 10¹⁰ J. Rapportée à la surface de 20 m² et à la durée de 200 s, elle donne un flux surfacique d'environ 2,5 × 10⁶ W/m². À travers le bouclier, la loi de conduction donne un flux égal à ΔT × λ / e : avec un écart de 1990 K et une épaisseur de 0,10 m, on obtient environ 2 × 10³ W/m². Le rapport des deux flux est voisin de 10³ : le bouclier divise le flux par environ mille, ce qui justifie pleinement son nom.

Les pièges à éviter

Le flux du sujet est surfacique : il faut diviser l'énergie à la fois par la durée et par la surface, et ne pas comparer des W/m² à des watts. Pensez aussi à convertir l'épaisseur en mètres. Un écart de température a la même valeur en kelvins et en degrés Celsius, ce qui évite une conversion inutile. Enfin, les données étant approchées, seul l'ordre de grandeur du rapport compte.

Conseils pour réussir

Suivez l'ordre de la consigne, citez le document d'où vient chaque argument et terminez par une comparaison chiffrée suivie d'un regard critique : ici, la perte de 4 mm par ablation ne modifie le flux à travers le bouclier que de quelques pour cent. Ce format de synthèse argumentée reste un excellent entraînement pour les épreuves écrites actuelles.