Avancées de la technologie solaire rendant les solutions spatiales plausibles

Depuis un certain temps, des recherches approfondies sur les moyens de capter et d’utiliser le pouvoir solaire basé sur l’espace sont en cours. Les scientifiques et les experts en technologie croient que le pouvoir solaire basé sur l’espace pourrait être un ajout efficace à l’ensemble des sources d’énergie durable disponibles. 

Fonctionnellement, l’installation comprendrait des panneaux de collecte et de récolte d’énergie à des niveaux orbitaux, qui renverraient l’énergie solaire à leurs homologues récepteurs placés sur la planète Terre. Et comme cela implique l’espace, la planète Terre et la voie de transmission entre ces deux points, cela doit être constitué de solutions technologiques sophistiquées. 

Prometteusement, les avancées réalisées dans la technologie solaire à l’échelle mondiale ont rendu la production d’énergie solaire spatiale plausible. Mais avant d’approfondir ces avancées, jetons un rapide coup d’œil à ce que signifient les solutions d’énergie solaire spatiale et à quels avantages elles offrent. 

Énergie solaire spatiale et ses avantages

Selon les données présentées par le Département de l’Énergie des États-Unis, chaque heure sur Terre, nous recevons plus d’énergie solaire que nous ne pouvons en utiliser en une année. Près de 30 % de cette énergie retourne inutilisée dans l’espace par l’atmosphère. Cette énergie peut être capturée et utilisée efficacement si nous mettons en place des mécanismes robustes d’énergie solaire spatiale. 

Dans ce système, les panneaux solaires basés sur des satellites peuvent capter et transmettre plus d’énergie que les panneaux solaires placés à la surface de la Terre. Ils fonctionnent mieux grâce aux avantages d’être dans l’espace. Selon la description du DEA, ceux‑ci : 

“Les satellites équipés de panneaux solaires et transmettant de l’énergie collectent un rayonnement solaire d’intensité élevée et ininterrompu.” 

L’approvisionnement est ininterrompu car, dans l’espace, il n’y a ni nuages ni nuit. 

La technologie implique le déploiement de miroirs géants qui reflètent d’énormes quantités de rayons solaires sur de plus petits collecteurs solaires afin qu’ils puissent être transmis sans fil vers la Terre de manière sûre et contrôlée, sous forme de faisceau micro-ondes ou laser. 

Comme ce processus implique une technologie sophistiquée, il attire des solutions innovantes du monde entier. La NASA a maintenant publié un rapport sur l’énergie solaire spatiale afin de s’équiper de « les informations nécessaires pour déterminer comment elle peut soutenir le développement de ce domaine de recherche ». 

Le rapport tente d’évaluer les paramètres qui joueraient un rôle crucial pour faire de l’énergie solaire spatiale une option compétitive, l’objectif final étant d’atteindre zéro émission nette de gaz à effet de serre. 

Certaines goulots technologiques que la NASA a identifiés pour les chercheurs et techniciens actifs dans ce domaine sont les suivants :

• Ils devront trouver des moyens d’assembler et d’entretenir de grands systèmes en orbite.
• Des recherches seront nécessaires pour rendre ces systèmes autonomes et assurer une transmission d’énergie efficace afin d’amener l’énergie récoltée sur Terre. 
• Le rapport de la NASA souligne également qu’avant de mettre en service les systèmes d’énergie solaire spatiale, il est important de s’attaquer aux coûts de lancement et de construction. En effet, envoyer tout ce matériel dans l’espace nécessiterait de nombreuses missions continues pour transporter l’infrastructure en orbite.

Le rapport de la NASA estime que les systèmes d’énergie solaire spatiale pourraient devenir pleinement productifs et opérationnels d’ici 2050. Grâce à ce rapport, certaines avancées majeures réalisées dans ce domaine ont été mises en lumière. Par exemple, il nous a rappelé les scientifiques de la JAXA qui ont prouvé qu’il était possible de transmettre sans fil de l’énergie avec précision sous forme de micro-ondes sur une distance notable pour finalement la transformer en électricité utilisable. 

En poursuivant l’essence de cette réalisation, des scientifiques du Caltech, en mars 2023, ont présenté le Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) comme le premier vaisseau spatial à transmettre sans fil l’énergie solaire récoltée dans l’espace vers la Terre.

La NASA a également fourni des estimations sur la viabilité économique de l’énergie solaire spatiale. Certains experts, liés de près à ce domaine depuis longtemps, ont également remis en question ces estimations. Cependant, il y a eu peu de contestation des avantages que ce système de production d’énergie promet de fournir. Il pourrait aider lors de secours en cas de catastrophe, alimenter des capteurs éloignés et éliminer les goulots d’étranglement existants de notre système de production d’énergie traditionnel et de sa chaîne d’approvisionnement. 

En examinant ses avantages, les gouvernements nationaux de tous les pays développés ont commencé à y investir. De grandes entreprises disposant des ressources nécessaires, comme Airbus et Northrop Grumman, travaillent également sans relâche sur ce sujet. 

Nous examinerons maintenant certaines de leurs réalisations dans les sections suivantes. Cependant, il faut garder à l’esprit qu’il s’agit d’un domaine en évolution et que de nombreuses initiatives sont encore au stade du prototypage.

#1. Airbus Power Beaming

L’une des principales entreprises travaillant à l’avancement de la technologie solaire pour rendre les solutions spatiales possibles est Airbus. Sa technologie Power Beaming, développée par les départements Central Research & Technology et Blue Sky de l’entreprise, a réalisé des démonstrations crédibles montrant comment cela pourrait changer la donne dans le domaine de la technologie solaire spatiale. 

Selon Jean-Dominique Coste, responsable du développement du Power Beaming avec Yoann Thueux et leurs collègues :

“Le potentiel de la technologie est de capturer la lumière du soleil puis de la transmettre sans fil.” 

Ces scientifiques estiment que cette solution énergétique pourrait être capable d’alimenter adéquatement les villes, les usines, les foyers et les avions en électricité.

Les développeurs de la technologie Airbus ont d’abord démontré le Power Beaming à la X-Works Innovation Factory de l’entreprise le 27 septembre 2022. Bien que réalisée à plus petite échelle, la démonstration a suffisamment expliqué ce qu’il fallait pour faire fonctionner le Power Beaming. 

Coste, Thueux et leurs collègues ont utilisé la transmission micro-ondes pour transmettre de l’énergie verte entre deux points représentant « l’Espace » et « la Terre ». La distance entre ces deux points était de 36 mètres. La démonstration a également produit de l’hydrogène vert pour alimenter une ville modèle. 

Après la démonstration, Yoann Thueux a déclaré :

“Maintenant que nous avons testé avec succès les briques clés d’un futur système d’énergie solaire spatiale à petite échelle pour la première fois, nous sommes prêts à porter le Power Beaming au niveau supérieur.”

Airbus s’attend à ce que cette technologie devienne une réalité rapidement. Elle estime que les premiers prototypes opérationnels de Power Beaming seront disponibles dès le début des années 2030. 

Dans sa forme appliquée ultime, la technologie placerait un panneau solaire en orbite géostationnaire, à environ 36 000 km au-dessus de la Terre. Ce panneau solaire serait associé à un panneau solaire de même taille sur Terre. 

L’énergie collectée dans l’espace serait transmise vers le bas sur une zone comportant de nombreuses antennes réparties. Ces antennes capteraient les faisceaux d’énergie pour les recombiner afin de produire de l’électricité. 

Une fois ce système atteint une échelle spécifique, le coût de production d’énergie serait équivalent à celui des projets énergétiques à grande échelle sur Terre qui dépendent de l’énergie nucléaire, du pétrole ou d’autres sources d’énergie renouvelable. Selon les estimations, une ferme solaire géostationnaire pourrait générer jusqu’à deux gigawatts d’électricité. 

Le 15 février 2024, Airbus a publié ses résultats annuels 2023, déclarant des revenus annuels de 65,4 milliards, avec un EBIT ajusté de 5,8 milliards d’euros. 

#2. Northrop Grumman

Une autre grande entité mondiale ayant réalisé les tests nécessaires validant ses capacités en technologie solaire spatiale est Northrop Grumman. L’entreprise a démontré avec succès sa capacité à transmettre de l’énergie à radiofréquence vers diverses antennes en orientant le faisceau. Elle est confiante quant à la réalisation de son prototype d’ici 2025. 

Ce prototype démontrera la capacité de l’entreprise à transmettre de l’énergie RF vers la planète. La technologie est développée par Northrop Grumman’s Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR). 

Selon Tara Theret, directrice du programme SSPIDR :

“Maintenant, il s’agit simplement de construire, tester et intégrer le reste du matériel dans un délai serré.”

Les travaux à venir dans ce processus comprennent la réduction de la taille des composants électroniques et l’augmentation du nombre de « sandwich tiles ». Les sandwich tiles ne sont rien d’autre que des panneaux de cellules photovoltaïques qui collectent l’énergie solaire et transmettent la puissance à la couche suivante, contenant des composants qui permettent la conversion solaire‑RF et aident à former les faisceaux. 

L’entreprise fabrique également le matériel de vol nécessaire pour assembler le système et le lancer sur la plateforme ESPAStar de la société. La plateforme ESPAStar est un bus satellite qui fournit aux charges utiles la propulsion, l’énergie, le contrôle d’attitude et la communication nécessaires. 

Dans le cadre d’une validation du travail effectué, le Laboratoire de recherche de l’Armée de l’air des États‑Unis a encouragé les efforts de Northrop Grumman avec un contrat de 100 millions de dollars en 2018, afin qu’elle développe une charge utile pour démontrer les composants clés du prototype de système d’énergie solaire spatial.

Les autorités de l’Armée de l’air visaient à catalyser les efforts de développement nécessaires pour construire un prototype de système spatial capable d’alimenter les bases militaires américaines en énergie solaire. 

Dans l’ensemble, en soulignant le potentiel que les solutions spatiales en technologie solaire offrent pour l’avenir, Tara Theret a déclaré :

“La transmission d’énergie solaire spatiale a le potentiel de fournir de l’énergie n’importe où sur Terre à tout moment. Cette technologie pourrait rendre l’énergie disponible dans des lieux isolés nécessitant des équipements médicaux et de communication.”

Northrop Grumman enregistré des ventes totales de 36,6 milliards de dollars US pour l’exercice se terminant le 31 décembre 2022. Les revenus provenant du segment Space Systems s’élevaient à près de 12,3 milliards de dollars US, une augmentation notable par rapport aux 10,6 milliards de dollars US de l’année précédente. Sur les 12,3 milliards de dollars US de revenus réalisés en 2022, 94 % provenaient du gouvernement américain, tandis que les 3 %, 2 % et 1 % restants provenaient respectivement des ventes internationales, des ventes à d’autres clients et des ventes intersegment. 

#3. CESI

CESI, basée à Milan, en Italie, possède trois décennies d’expérience dans la recherche, le développement et la production de cellules solaires très efficaces pour les applications spatiales. Plus important encore, elle est l’un des fournisseurs mondiaux les plus recherchés de cellules multi-junction utilisant le gallium arsenide et le phosphure d’indium gallium.

CESI propose une gamme de cellules spatiales à triple jonction. Ces cellules, en plus du gallium arsenide et du phosphure d’indium gallium, incluent également le germanium. Elles s’avèrent efficaces pour les satellites en orbite basse (LEO) et en orbite géostationnaire. Ces produits sont également conformes aux normes ECSS E ST20-08C requises. CESI s’apprête maintenant à lancer des cellules à quatre jonctions qui offriront des niveaux d’efficacité supérieurs à ceux des cellules à trois jonctions.

À l’avenir, CESI vise à offrir une vaste gamme de produits de cellules solaires spatiales qui répondront à toutes les exigences des programmes spatiaux. À ce jour, les efforts de CESI ont abouti à plus de 200 000 cellules solaires, alimentant plus de 70 satellites civils pour des clients répartis dans 25 pays.

CESI possède sa technologie propriétaire pour fabriquer des cellules solaires à Milan. Au fil des années, elle a construit un réseau étroit et profond avec de nombreuses agences spatiales et acteurs internationaux.

Comme Northrop Grumman, CESI travaille également avec le gouvernement national italien et a reçu des financements de l’Agence spatiale nationale italienne (ASI) et de l’Agence spatiale européenne (ESA). Elle a fabriqué des cellules solaires avancées pour répondre aux besoins du programme spatial européen et à ceux de nombreuses missions interplanétaires.

Selon la dernière divulgation financière disponible déclaration financière, l’entreprise a réalisé un chiffre d’affaires de plus de 87 millions de couronnes tchèques pour l’exercice se terminant le 31 décembre 2022.

Avancées de la technologie solaire spatiale : la voie à suivre

La technologie solaire spatiale a trouvé sa place en prouvant sa valeur à la communauté mondiale, incitant les gouvernements nationaux du monde entier à commencer à y investir avec beaucoup d’enthousiasme. Aux États‑Unis, cela s’est traduit par une action lorsque le Naval Research Laboratory a mené une expérience en 2020 pour capter la lumière du soleil et la transformer en énergie électrique en courant continu. Il a utilisé le X‑37B de l’Armée de l’air à cette fin. 

Parallèlement, les efforts internationaux gagnent également en élan. Les autorités chinoises ont fixé des objectifs ambitieux avec leur plan 2028 pour une démonstration spatiale dirigée par la China Academy of Space Technology. En Europe, Solaris se démarque comme un programme de recherche de trois ans bien financé, ayant reçu le feu vert de l’Agence spatiale européenne. Le Royaume‑Uni, également, est dans la course, offrant des subventions pour des études sur l’exploitation de l’énergie solaire dans l’espace. 

Il est évident que des entreprises innovantes, de grandes organisations mondiales dotées de ressources, et des gouvernements du monde entier travaillent ensemble pour capter et exploiter l’énergie que l’espace a à offrir. Avec une telle énergie solaire ininterrompue et inutilisée attendant d’être captée et exploitée au bénéfice de la planète, l’avenir semble réellement prometteur.

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