Des panneaux solaires dans l’espace pourraient-ils fournir de l’énergie propre à la Terre ?

Depuis 100 ans, les gens rêvent d’envoyer de vastes réseaux de panneaux solaires dans l’espace et de transmettre leur énergie à la Terre. Contrairement aux sources d’énergie renouvelables intermittentes au sol, ces panneaux en orbite seraient toujours exposés à la lumière du soleil et offriraient potentiellement une alimentation électrique continue.

Maintenant, de tels projets commencent à sembler possibles, grâce à du matériel moins cher et à la baisse du coût des lancements spatiaux. Des équipes du monde entier travaillent sur des éléments clés de systèmes d’énergie solaire spatiaux, et un prototype construit par des chercheurs du Institut de technologie de Californie (Caltech) devrait commencer les expériences en orbite ce mois-ci.

“Il n’y a rien d’étrange là-dedans qui nécessiterait une nouvelle physique”, déclare James Carpenter, qui co-dirige le Solaris initiative, une étude de faisabilité entreprise par l’Agence spatiale européenne (ESA) qui pourrait conduire au développement complet de la technologie à partir de 2025. Centre de recherche et de technologie à Noordwijk, Pays-Bas.

L’énergie solaire spatiale ne serait viable que si elle était mise en œuvre à grande échelle. Les scientifiques prévoient de construire des réseaux de panneaux solaires de plusieurs kilomètres de large qui orbiteraient autour de la Terre à une distance d’environ 36 000 kilomètres. L’énergie qu’ils récoltent serait convertie en micro-ondes et transmise à des récepteurs basés en surface avec des empreintes physiques encore plus grandes.

La Chine a annoncé son intention de mettre une unité de démonstration à l’échelle du mégawatt en orbite terrestre basse en 2028, avant de déployer un autre système sur une orbite géosynchrone plus éloignée en 2030. Carpenter dit qu’avec un financement suffisant, la première centrale solaire multigigawatt pourrait être opérationnelle d’ici 2040. Mais malgré l’excitation, d’énormes obstacles techniques subsistent.

La nature examine cinq grandes questions auxquelles les chercheurs doivent répondre pour faire de l’énergie solaire spatiale une réalité.

Comment construire une ferme solaire dans l’espace ?

Pour générer un gigawatt de puissance – comparable à la production d’une centrale électrique sur Terre – les réseaux en orbite devraient avoir une taille supérieure à un kilomètre carré. C’est plus de 100 fois la taille de la Station spatiale internationale, dont la construction a pris une décennie. Un réseau serait assemblé dans l’espace à partir de modules qui pourraient être produits en série et lancés séparément. L’expérience de Caltech consistera à déployer une structure étroitement pliée dans une plate-forme de panneaux solaires de la taille d’une table à manger, mais les modules d’un réseau grandeur nature pourraient mesurer jusqu’à 60 mètres de long.

D’autres projets utilisent des conceptions différentes. Parmi les propositions envisagées par l’initiative Solaris de l’ESA figure une structure hélicoïdale, et à Xi’an, en Chine, le projet Chasing the Sun de l’Université Xidian développe un capteur solaire en forme de couronne. Les deux nécessiteraient un assemblage à distance par des robots en orbite, une technologie encore naissante.

L’ingénierie derrière de tels systèmes est “incroyablement complexe”, déclare Karen Jones, économiste de l’espace à l’Aerospace Corporation à Arlington, en Virginie. Caltech espère contourner ce problème en faisant voler ses panneaux flexibles en formation, sans les attacher ensemble, et en utilisant des algorithmes pour corriger les fluctuations de position qui affectent la transmission de puissance. Quelle que soit la conception utilisée, les composants devraient être lancés chaque semaine, à un rythme sans précédent, explique Jovana Radulovic, ingénieur chimiste à l’Université de Portsmouth, au Royaume-Uni.

Quel type de cellules solaires serait utilisé?

Les cellules solaires doivent être légères et efficaces pour réduire les coûts de lancement. Chaque kilogramme de panneau devrait produire 1 à 2 kilowatts d’électricité, explique David Homfray, un physicien qui dirige des travaux techniques au sein du public-privé du Royaume-Uni. Initiative sur l’énergie spatiale. Ce rapport puissance/poids est environ 50 fois supérieur à celui des cellules au silicium conventionnelles sur Terre. La plupart des conceptions visent à augmenter l’exposition des cellules solaires à la lumière du soleil à l’aide de concentrateurs, de miroirs et d’autres structures innovantes.

Les cellules devront également résister à un rayonnement intense dans l’espace. Pourtant, les matériaux photovoltaïques solaires robustes utilisés dans de nombreuses sondes spatiales sont trop coûteux pour être déployés dans un vaste réseau, de sorte que les chercheurs doivent savoir comment les alternatives moins chères fonctionneront, explique Radulovic.

À cette fin, une expérience sur le prototype Caltech testera 32 cellules photovoltaïques légères, y compris des pérovskites à faible coût. “L’idée ici est de faire en quelque sorte un test de longévité”, explique Ali Hajimiri, qui co-dirige le projet Caltech.

Comment l’énergie solaire atteindra-t-elle la Terre ?

C’est sans doute le plus grand défi. Bien que les faisceaux laser transfèrent efficacement l’énergie, les nuages ​​peuvent les bloquer. Pour éviter ce problème, les chercheurs espèrent convertir l’électricité des panneaux solaires en micro-ondes, qui traversent l’atmosphère sans perdre beaucoup d’énergie. Cependant, les micro-ondes se propagent au fur et à mesure qu’elles se déplacent, les ingénieurs devront donc synchroniser soigneusement la façon dont les ondes sont émises et utiliser des stations de réception à des kilomètres de large pour les collecter.

La conversion de l’énergie solaire en électricité, puis en micro-ondes, et de nouveau en électricité au sol entraînera inévitablement des pertes. “Personne ne considérera cette idée sérieusement tant que ces pertes ne seront pas considérablement réduites”, déclare Radulovic. L’ESA estime que seulement 10 à 15% de l’énergie solaire tombant sur un réseau spatial doit être fournie au réseau électrique pour qu’un système soit économiquement viable. Pourtant, y parvenir nécessiterait encore des avancées considérables dans plusieurs technologies de conversion d’énergie, selon l’agence.

L’année dernière, des chercheurs de l’Université de Xidian ont utilisé des micro-ondes pour transmettre l’énergie solaire sur 55 mètres dans une expérience à petite échelle sur Terre. En utilisant uniquement des cellules de silicium conventionnelles, il a atteint un rendement global d’environ 2,4 % ; le test a marqué la première fois que la séquence entière avait été démontrée dans un seul système, explique Xun Li, chercheur sur le projet. Le prototype de Caltech sera la première expérience spatiale à utiliser des micro-ondes pour transmettre et recevoir de l’énergie, bien que sur seulement 30 centimètres, ajoute Hajimiri.

Tout cela en vaudra-t-il la peine ?

Les agences spatiales et les nations pensent que l’énergie solaire basée dans l’espace pourrait contribuer à atteindre l’objectif de zéro émission nette de carbone d’ici 2050. Mais “nous devons prouver que cela va réellement être un gain net pour la planète”, dit Jones.

Le solaire spatial serait certainement beaucoup plus cher que le solaire terrestre. Cependant, il pourrait rivaliser avec les coûts d’autres sources d’énergie continue à faible émission de carbone, comme le nucléaire ou le gaz avec une technologie de capture du carbone, dit Carpenter – bien que des moyens plus économiques de stocker l’électricité renouvelable au sol pourraient diminuer le cas d’un espace déployer.

Pendant ce temps, des chercheurs de l’Université de Strathclyde, au Royaume-Uni, ont calculé qu’il faudrait moins de six ans à une centrale solaire spatiale pour compenser les gaz à effet de serre émis par le développement, la construction et l’installation du projet. “Cela a l’air vraiment, vraiment compétitif”, déclare Homfray. Néanmoins, Radulovic s’interroge sur la fiabilité de ces estimations, compte tenu des incertitudes sur la manière dont ces systèmes seront conçus et déployés.

Sera-t-il sécuritaire?

L’émission d’énergie micro-ondes depuis l’espace est étonnamment sûre. La fréquence du faisceau sera choisie de manière à ne pas perturber la communication de l’avion. Et parce que sa puissance serait répartie sur une zone aussi vaste, la densité d’énergie moyenne reçue par les stations au sol serait d’environ 50 watts par mètre carré, dit Carpenter, ce qui équivaut au niveau inoffensif de micro-ondes pouvant s’échapper d’un four à micro-ondes. “C’est dans ce qui serait considéré comme une recommandation de sécurité normale pour l’exposition humaine”, dit-il.

Mais les chercheurs devront prouver qu’il n’y a pas d’effets néfastes sur les humains, les animaux ou l’environnement au sens large. “Je pense qu’ils doivent suivre l’exemple de l’industrie du sans fil mobile qui a connu les mêmes préoccupations, et ne pas banaliser ces préoccupations, mais le prouver par des études”, déclare Jones.