Énergie solaire spatiale : le fait de renvoyer la lumière du soleil vers la Terre pourrait-il répondre à nos besoins énergétiques ?

Le physicien théoricien Freeman Dyson a un jour imaginé une civilisation extraterrestre si avancée qu’elle aurait entouré son étoile mère d’une coquille artificielle géante. La surface intérieure de ce « Sphère Dyson » capterait le rayonnement solaire et le transférerait vers des points de collecte, où il serait converti en énergie utilisable. Une telle notion reste de la science-fiction, mais un principe similaire pourrait-il être utilisé à une échelle beaucoup plus petite pour exploiter la puissance de notre propre Soleil ?

Après tout, au-delà des nuages, dans les flammes nocturnes de l’espace proche de la Terre, il y a plus d’énergie solaire ininterrompue que ce dont l’humanité pourrait raisonnablement avoir besoin pendant les siècles à venir. C'est pourquoi un groupe de scientifiques et d'ingénieurs imagine depuis plus de 50 ans des techniques permettant de capter cette énergie dans l'espace et de la retransmettre vers le sol.

« L'énergie solaire spatiale », comme on l'appelle, présente deux énormes avantages par rapport aux méthodes traditionnelles d'exploitation du soleil et du vent. Premièrement, placer un satellite captant la lumière du soleil dans l’espace signifie que nous n’aurions pas besoin de couvrir de vastes étendues de terres sur Terre avec des panneaux solaires et des parcs éoliens. Deuxièmement, nous disposerions d'une réserve d'énergie suffisante même lorsque, malgré les conditions météorologiques locales, le temps est couvert ou que le vent s'est calmé.

Et c’est là le problème de l’énergie solaire et de l’énergie éolienne ici sur Terre : elles ne pourront jamais répondre à nos demandes énergétiques de manière cohérente, même si elles sont considérablement développées. Des chercheurs de l’Université de Nottingham ont estimé l’année dernière que si le Royaume-Uni devait s’appuyer entièrement sur ces sources renouvelables, le pays aurait besoin de stocker plus de 65 térawattheures d’énergie. Cela coûterait plus de 170 milliards de livres sterling, soit plus du double du futur réseau ferroviaire à grande vitesse du pays. (Energies 14 8524).

La plupart des efforts visant à réaliser une énergie solaire spatiale se sont malheureusement heurtés à des problèmes techniques et économiques apparemment insolubles. Mais les temps changent. Les conceptions innovantes de satellites, ainsi que les coûts de lancement beaucoup plus faibles, font soudainement apparaître l’énergie solaire spatiale comme une solution réaliste. Japon l'a inscrit dans la loi en tant qu'objectif national, tandis que le Agence spatiale européenne a lancé un appel à idées. Chine ainsi que le les Etats Unis sont tous deux des installations d’essai en construction.

Pendant ce temps, un consultation publiée par le gouvernement britannique en 2021 a conclu que l’énergie solaire spatiale est techniquement et économiquement réalisable. De manière alléchante, il estimait que cette solution technologique pourrait être mise en pratique 10 ans avant l’objectif « zéro net » d’ici 2050 du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat. Alors, l’énergie solaire spatiale est-elle la réponse aux malheurs de notre climat ? Et si oui, qu’est-ce qui l’empêche de devenir une réalité ?

Rêves de l'espace

Le concept original de l'énergie solaire spatiale a été imaginé en 1968 par Peter Glaser, un ingénieur américain du cabinet de conseil Arthur D Little. Il envisageait de placer un énorme satellite en forme de disque en orbite géostationnaire à quelque 36,000 XNUMX km au-dessus de la Terre. (Sciences 162 857). Le satellite, d'environ 6 km de diamètre, serait constitué de panneaux photovoltaïques pour capter la lumière du soleil et la convertir en énergie électrique. Cette énergie serait ensuite transformée en micro-ondes à l'aide d'un amplificateur à tube et transmise à la Terre via un émetteur de 2 km de diamètre.

C'est la seule forme d'énergie verte et renouvelable ayant le potentiel de fournir une énergie électrique de base continue.

Chris Rodenbeck, Laboratoire de recherche navale des États-Unis

La beauté des micro-ondes est qu’ils ne sont pas absorbés par les nuages ​​ici sur Terre et qu’ils traverseraient donc en grande partie (mais pas totalement) sans entrave notre atmosphère. Glaser envisageait qu'ils soient collectés par une antenne fixe de 3 km de diamètre, où ils seraient convertis en électricité pour le réseau. "Bien que l'utilisation de satellites pour la conversion de l'énergie solaire puisse être prévue dans plusieurs décennies", a-t-il écrit, "il est possible d'explorer plusieurs aspects de la technologie requise pour guider les développements futurs."

La réaction initiale a été positive dans au moins certains milieux, la NASA attribuant à la société de Glaser, Arthur D Little, un contrat pour une étude plus approfondie. Au fil des années, cependant, les conclusions des études ultérieures sur l’énergie solaire spatiale sont allées de prudemment positives à apparemment négatives.

En 2015, par exemple, la technologie n’a reçu qu’un verdict mitigé. dans un rapport du Strategic Studies Institute (SSI) de l'US Army War College, qui citait « aucune preuve convaincante » que l’énergie solaire spatiale pourrait être économiquement compétitive par rapport à la production d’électricité terrestre. Le SSI a particulièrement critiqué les « hypothèses douteuses » formulées par ses partisans concernant la mise en orbite d’une structure en orbite aussi énorme. En termes simples, le rapport indique qu'il n'y a pas assez de lanceurs et que ceux disponibles sont trop chers.

Mais le verdict peu élogieux du SSI a été rendu aux entreprises privées – en particulier SpaceX – a commencé à transformer l’industrie spatiale. En combinant des systèmes de fusées réutilisables avec une attitude d'essais et d'erreurs en matière de recherche et de développement, la société américaine a, au cours de la dernière décennie, réduit le coût du lancement en orbite proche de la Terre de plus d'un facteur 10 (par kilo de charge utile). ), et il est prévu de le réduire encore d'un ordre de grandeur. Ce que le SSI considérait comme une limitation majeure concernant les coûts de lancement n’est en fait plus un problème.

Non pas que le coût du lancement d’un satellite dans l’espace soit le seul point de friction. Le concept original de Glaser était d'une simplicité trompeuse, avec de nombreux défis cachés. Pour commencer, lorsqu’un satellite tourne autour de la Terre, l’angle entre le Soleil, l’engin et le point sur Terre vers lequel l’énergie est envoyée change constamment. Par exemple, si un satellite géostationnaire est orienté vers la Terre, ses systèmes photovoltaïques seront face au Soleil à midi mais lui tourneront le dos à minuit. Autrement dit, le satellite ne produirait pas d’électricité en permanence.

La solution originale à ce problème consistait à faire tourner continuellement les panneaux photovoltaïques par rapport aux émetteurs micro-ondes, qui resteraient fixes. Les panneaux photovoltaïques seraient alors toujours pointés vers le Soleil, tandis que les émetteurs seraient toujours face à la Terre. Proposée pour la première fois en 1979 par la NASA en tant que développement des idées de Glaser, la solution a été étendue davantage dans une proposition de 2015 par des ingénieurs de l'Académie chinoise des technologies spatiales à Pékin, qui l'ont surnommée Satellite d'énergie solaire à joints multiples, ou MR-SPS (Figure 1).

Pendant ce temps, John Mankins, un ancien ingénieur de la NASA, a inventé une solution rivale en 2012. SPS Alpha, son idée était de maintenir les panneaux solaires et l'émetteur fixes, mais d'installer de nombreux miroirs entourant les panneaux (figure 2). Connus sous le nom d’héliostats, ces miroirs seraient capables de tourner, redirigeant continuellement la lumière du soleil vers les panneaux solaires et permettant ainsi au satellite d’alimenter la Terre sans interruption.

Ni MR-SPS ni SPS Alpha ne sont cependant satisfaisants, selon Ian Cash, directeur et ingénieur en chef chez Compagnie électrique internationale limitée dans l'Oxfordshire, au Royaume-Uni. Ancien concepteur de systèmes électroniques dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale et de l'énergie, Cash s'est tourné il y a dix ans vers le développement privé de sources d'énergie propres à grande échelle. Initialement attiré par le potentiel de la fusion nucléaire, il a été rebuté par ses problèmes « vraiment difficiles » et s’est rapidement tourné vers l’énergie solaire spatiale comme option la plus pratique.

Pour Cash, le problème avec MR-SPS et SPS Alpha est qu’ils doivent faire pivoter certaines parties du satellite par rapport à d’autres. Chaque pièce devrait donc être physiquement reliée à une autre et avoir besoin d'une articulation mobile. Le problème est que lorsqu’ils sont utilisés sur des satellites comme la Station spatiale internationale, ces joints peuvent échouer en raison de l’usure. L'omission des joints articulés rendrait un satellite solaire plus fiable, a conclu Cash. «Je voulais savoir ce qu'il faudrait pour avoir une solution à l'état solide qui voit toujours le Soleil et la Terre», dit-il.

En 2017, Cash l’avait compris, du moins c’est ce qu’il prétend. Son Concept CASSIOPEIA est un satellite qui ressemble essentiellement à un escalier en colimaçon, dont les panneaux photovoltaïques sont les « marches » et les émetteurs micro-ondes – des dipôles en forme de tige – sont les « colonnes montantes ». Grâce à sa géométrie hélicoïdale astucieuse, CASSIOPeiA peut recevoir et transmettre l'énergie solaire 24 heures sur 3, sans aucune pièce mobile (figure XNUMX).

Cash, qui entend tirer profit de CASSIOPeiA en accordant une licence sur la propriété intellectuelle associée, revendique de nombreux autres avantages à son concept. Le satellite qu'il propose peut être construit à partir de centaines (voire de milliers) de modules plus petits reliés entre eux, chaque module captant l'énergie solaire, la convertissant électroniquement en micro-ondes, puis la transmettant à la Terre. La beauté de cette approche est que si un module était frappé par des rayons cosmiques ou des débris spatiaux, sa défaillance ne mettrait pas hors service l’ensemble du système.

Un autre avantage de CASSIOPeiA est que les composants non photovoltaïques sont en permanence dans l'ombre, ce qui minimise la dissipation de chaleur – ce qui pose problème dans le vide sans convection de l'espace. Enfin, comme le satellite est toujours orienté vers le Soleil, il peut occuper davantage de types d'orbites, y compris celles très elliptiques. Il serait alors parfois plus proche de la Terre que s'il était géostationnaire, ce qui le rend moins cher car il n'est pas nécessaire de faire évoluer la conception sur la base d'un émetteur aussi énorme.

Il n'est peut-être pas surprenant que les concurrents de Cash ne soient pas d'accord avec son évaluation. Mankins, qui est maintenant basé à Solutions de gestion de l'innovation Artemis en Californie, aux États-Unis, conteste le fait que les héliostats articulés de son concept SPS-Alpha constituent un problème. Au lieu de cela, il affirme qu’il s’agit « d’une simple extension d’une technologie très mature » déjà utilisée pour concentrer la lumière solaire pour chauffer des fluides et entraîner des turbines. « tours solaires » ici sur Terre. Il estime également que les doubles miroirs requis par CASSIOPeiA pourraient poser problème car ils doivent être construits de manière très précise.

« J'ai une grande estime pour Ian et son travail ; Son concept CASSIOPeiA le plus récent est l'un des nombreux concepts très similaires, notamment SPS-Alpha », explique Mankins. "Cependant, je ne suis pas d'accord avec son attente selon laquelle CASSIOPeiA se révélera supérieur à SPS-Alpha." Pour Mankins, la meilleure approche en matière d’énergie solaire spatiale dépendra en fin de compte des résultats des projets de développement, le coût réel par kilowattheure d’électricité ici sur Terre étant le facteur crucial.

Évolutif et frappant

L’intérêt pour l’énergie solaire spatiale a reçu un nouvel élan à la suite de la Rapport 2021 du gouvernement britannique dans la technologie, ce qui n'aurait guère pu être plus positif sur le concept. Il a été rédigé par les ingénieurs du cabinet de conseil basé au Royaume-Uni Frazer-Nash, qui a correspondu avec un certain nombre d'experts en ingénierie spatiale et en énergie, notamment les inventeurs du SPS Alpha, du MR-SPS et de CASSIOPeiA.

Le rapport concluait qu'un satellite CASSIOPeiA de 1.7 km de large en orbite géostationnaire transmettant le rayonnement solaire à une distance de 100 km² un ensemble de récepteurs micro-ondes (ou « rectenna ») situés ici sur Terre générerait 2 GW de puissance continue. Cela équivaut à la production d'une grande centrale électrique conventionnelle. C'est aussi bien mieux que, disons, l'existant Parc éolien London Array dans l'estuaire de la Tamise, qui est environ 25 % plus grand mais génère une puissance moyenne d'à peine 190 MW.

Mais ce qui est plus frappant, c'est l'analyse économique du rapport. Sur la base d'une estimation selon laquelle un système à grande échelle coûterait 16.3 milliards de livres sterling à développer et à lancer, et permettant un taux de retour sur investissement minimum de 20 % par an, il a conclu qu'un système d'énergie solaire spatial pourrait, sur sa durée de vie d’environ 100 ans, produire de l’énergie à 50 £ par MWh.

Frazer-Nash affirme que cela coûte 14 à 52 % plus cher que l’énergie éolienne et solaire terrestre actuelle. Mais surtout, il est 39 à 49 % moins cher que la biomasse, le nucléaire ou les sources d'énergie à gaz les plus efficaces, qui sont les seules actuellement capables d'offrir une « charge de base » ininterrompue. Les auteurs du rapport ont également déclaré que leur estimation prudente des coûts « devrait diminuer à mesure que le développement progresse ».

"C'est incroyablement évolutif", déclare Martin Soltau de Frazer-Nash, l'un des auteurs. Et comme le niveau de lumière solaire dans l’espace autour de la Terre est bien plus brillant qu’en dessous, il estime que chaque module solaire en collecterait 10 fois plus qu’il ne le ferait s’il était installé au sol. Le rapport estime que le Royaume-Uni aurait besoin d'un total de 15 satellites – chacun avec sa propre rectenne – pour répondre à un quart des besoins énergétiques du pays d'ici 2050. Chaque rectenne pourrait être située à côté ou même à l'intérieur d'un parc éolien existant.

Si le projet était encore étendu, il pourrait en principe répondre à plus de 150 % de la demande mondiale d’électricité (même si un approvisionnement énergétique résilient dicterait généralement un large éventail de sources). L’énergie solaire spatiale, ajoute Soltau, aurait également un impact bien moindre sur l’environnement que les sources d’énergie renouvelables terrestres. L’empreinte carbone serait faible, il y aurait peu de demandes en minéraux de terres rares et, contrairement aux éoliennes, il n’y aurait pas de bruit ni de grandes structures visibles.

Si tout cela semble trop beau pour être vrai, cela pourrait bien l’être. Le rapport Frazer-Nash admet plusieurs « problèmes de développement », notamment la recherche de moyens de rendre le transfert d'énergie sans fil plus efficace. Chris Rodenbeck, un ingénieur électricien du laboratoire de recherche naval américain de Washington DC, affirme que les démonstrations à grande échelle de cette technologie sont difficiles à réaliser. Ils nécessitent des investissements soutenus et des avancées ciblées dans les composants électroniques, tels que les diodes de redressement haute puissance, qui ne sont pas facilement disponibles.

Heureusement, la transmission d’énergie sans fil progresse depuis des décennies. En 2021, l'équipe de Rodenbeck a envoyé 1.6 kW d'énergie électrique sur une distance de 1 km, avec un rendement de conversion micro-ondes en électricité de 73 %. À première vue, c'est moins impressionnant que la démonstration d'énergie sans fil la plus puissante à ce jour, qui a eu lieu en 1975 lorsque le personnel de Le laboratoire Goldstone de la NASA en Californie, les micro-ondes de 10 GHz ont été converties en électricité avec un rendement supérieur à 80 %. Mais surtout, Rodenbeck a utilisé des micro-ondes à basse fréquence de 2.4 GHz, qui subiraient beaucoup moins de pertes atmosphériques dans l'espace.

Pour contrecarrer la diffraction plus élevée (étalement du faisceau) qui se produit naturellement à des fréquences plus basses, les chercheurs ont exploité le terrain environnant pour « faire rebondir » les micro-ondes vers le réseau de récepteurs, améliorant ainsi la densité de puissance de 70 % (IEEE J. Microw. 2 28). « Nous avons fait [le test] assez rapidement et à moindre coût pendant la pandémie mondiale », explique Rodenbeck. "Nous aurions pu faire plus."

La construction initiale nécessitera une usine fonctionnant 24h/7 et XNUMXj/XNUMX dans l’espace, avec une chaîne de montage comme une usine automobile sur Terre.

Yang Gao, Université du Surrey

Rodenbeck est optimiste quant aux perspectives de l’énergie solaire spatiale. Alors que la fusion nucléaire, affirme-t-il, « se heurte à des problèmes fondamentaux de physique », l’énergie solaire spatiale – et le transfert d’énergie sans fil – se heurte simplement à des « dollars ». «[C'est] la seule forme d'énergie verte et renouvelable ayant le potentiel de fournir une énergie électrique de base continue», affirme Rodenbeck. « À moins d’une avancée technique dans la fusion nucléaire contrôlée, il semble très probable que l’humanité exploitera l’énergie solaire spatiale pour répondre à ses besoins énergétiques futurs. »

Une mise en garde vient cependant de Yang Gao, ingénieur spatial à l’Université de Surrey au Royaume-Uni, qui admet que « l’ampleur » du système spatial proposé « est assez époustouflante ». Elle estime que la construction initiale pourrait bien nécessiter « une usine fonctionnant 24 heures sur 7 et XNUMX jours sur XNUMX dans l’espace, avec une chaîne de montage comme une usine automobile sur Terre », utilisant probablement des robots autonomes. Quant à l’entretien de l’installation, une fois construite, Gao affirme que cela serait « exigeant ».

Pour Cash, ce qui est crucial, c'est l'orbite qu'occuperait un satellite de puissance spatiale. Un satellite géostationnaire à énergie solaire serait si éloigné de la Terre qu’il nécessiterait des émetteurs et des rectennes énormes et coûteux pour transmettre efficacement l’énergie. Mais en tirant parti de plusieurs satellites sur des orbites plus courtes et hautement elliptiques, explique Cash, les investisseurs pourraient réaliser des systèmes de travail plus petits sur le concept CASSIOPeiA avec une fraction du capital. En revanche, SPS Alpha et MR-SPS devraient être pleinement opérationnels dès le premier jour.

Y a-t-il assez de volonté ?

Et pourtant, le plus grand défi de l’énergie solaire spatiale n’est peut-être pas économique ou technique, mais politique. Dans un monde où un nombre important de personnes croient aux théories du complot entourant la technologie mobile 5G, transmettre des gigawatts de puissance micro-ondes de l'espace vers la Terre pourrait s'avérer difficile à vendre, même si l'intensité maximale du faisceau est d'à peine 250 W/m.², moins d'un quart de l'intensité solaire maximale à l'équateur.

En fait, le rapport britannique admet que ses partisans doivent tester l’appétit du public et « organiser une conversation » autour des idées clés. Mais il y a aussi de réelles considérations techniques et sociétales. Où seront situées les rectennas ? Comment les satellites seront-ils mis hors service à la fin de leur vie sans ajouter de déchets spatiaux ? Restera-t-il de la place dans le spectre des micro-ondes pour autre chose ? Et le système sera-t-il vulnérable aux attaques ?

À la suite de son rapport, le Le gouvernement britannique a dévoilé un fonds de 3 millions de livres sterling pour aider les industries à développer certaines des technologies clés, l’ancien secrétaire aux affaires Kwasi Kwarteng affirmant que l’énergie solaire spatiale « pourrait fournir une source d’énergie abordable, propre et fiable pour le monde entier ». Il est peu probable que cette somme d'argent serve à une entreprise de cette envergure, c'est pourquoi Soltau a contribué à la création d'une entreprise appelée Espace Solaire, qui espère lever 200 millions de livres sterling auprès d’investisseurs privés.

Parallèlement, ce qu'il appelle une « collaboration des volontaires », Initiative sur l'énergie spatiale, a rassemblé des scientifiques, des ingénieurs et des fonctionnaires de plus de 50 institutions académiques, entreprises et organismes gouvernementaux, qui travaillent pro bono pour aider à faire aboutir un système fonctionnel. SpaceX ne figure pas encore sur la liste, mais Soltau affirme avoir retenu l'attention de l'entreprise américaine. « Ils sont très intéressés », dit-il.

Cash ne doute pas que des investissements seront trouvés. Les énergies renouvelables terrestres ne peuvent pas fournir une énergie de base ininterrompue sans une infrastructure de batteries extrêmement coûteuse, tandis que le nucléaire se heurte toujours à une forte opposition. L'énergie solaire spatiale, estime Cash, est un élément essentiel du mix si nous voulons atteindre le zéro net, et demander simplement aux gens de consommer moins d'énergie est une « idée dangereuse ». La plupart des guerres ont été menées à cause d’un manque de ressources », dit-il. "Si nous ne réfléchissons pas aux moyens de faire avancer la civilisation, l'alternative est très effrayante."