Panneaux solaires flexibles débloquent des vols plus longs pour les drones autonomes

Une équipe de chercheurs dirigée par des ingénieurs de l’Université Johannes Kepler de Linz a présenté une conception de panneau solaire ultra‑léger et efficace. Les nouveaux panneaux solaires flexibles ouvrent la voie à une variété d’applications de nouvelle génération, y compris les drones auto‑rechargeables et bien plus encore. Voici ce que vous devez savoir.

Pourquoi les drones ont besoin de systèmes d’alimentation autonomes

L’humanité continue de chercher des sources d’énergie autonomes pour alimenter ses recherches et explorations. De nombreux scénarios ne laissent d’autre choix que ces systèmes. Par exemple, l’hélicoptère martien Ingenuity a démontré la puissance et les capacités supplémentaires que ces systèmes offrent. Le drone autonome alimenté par énergie solaire a effectué plusieurs vols sans pilote sur Mars, fournissant une mine d’informations aux ingénieurs et aux chercheurs.

Comment l’énergie solaire a permis à l’hélicoptère martien de la NASA

Lorsque l’on examine le succès d’Ingenuity, il est évident que les systèmes d’alimentation autonomes du drone étaient un élément crucial de la mission. Sans la capacité de se recharger après une utilisation prolongée, l’hélicoptère martien n’aurait été qu’un vol unique, à peine justifiant le coût.

Cependant, la capacité de l’engin à se recharger a permis la réalisation de multiples missions avec grand succès. Plus précisément, le dispositif utilisait un panneau solaire pour reconstituer ses six batteries lithium‑ion. Ces batteries offraient 90 secondes de vol lorsqu’elles étaient pleinement chargées.

Pourquoi le solaire est la seule source d’énergie viable pour les drones spatiaux

Plusieurs raisons expliquent pourquoi seule l’énergie solaire conviendrait aux besoins des voyages spatiaux. D’une part, le coût d’acheminement d’éléments tels que le carburant, les moteurs ou d’autres composants est trop élevé pour que la création d’un système capable de les gérer en vaille la peine.

De plus, les stations de charge, les câbles et autres exigences alourdiraient l’hélicoptère, le rendant trop lourd pour voler. Sur Mars, il faut beaucoup plus de portance pour générer le vol, la planète ayant des conditions atmosphériques différentes. Ainsi, les ingénieurs doivent veiller à ce que le dispositif soit le plus léger possible. Les panneaux solaires étaient la solution évidente.

Qu’est‑ce que les cellules solaires à pérovskite et pourquoi elles sont importantes

Il convient de noter que, parmi les nombreuses options d’énergie renouvelable disponibles pour les chercheurs, les panneaux solaires sont les plus accessibles et les plus logiques. Les développements récents ont rendu les panneaux solaires plus efficaces et plus légers. L’utilisation des cellules solaires à pérovskite a été une véritable révolution pour de nombreuses raisons.

Les cellules solaires à pérovskite offrent aux ingénieurs la capacité de créer des cellules ultra‑minces et flexibles. Ces cellules peuvent fournir une haute efficacité grâce à un design léger. Cette conception fait des cellules à pérovskite l’une des plus couramment utilisées lorsqu’on discute de l’alimentation des drones.

Défis limitant l’adoption des cellules solaires à pérovskite

Plusieurs problèmes ont freiné le développement et l’application des cellules solaires à pérovskite. D’une part, elles présentent une faible stabilité opérationnelle. Ces dispositifs sont sensibles, et tout changement brusque de mouvement, collision ou même la poussière peut réduire leur efficacité. Heureusement, les ingénieurs ont créé des variantes uniques capables de gérer des cas d’utilisation plus spécifiques, comme les drones autonomes.

À l’intérieur de la technologie: cellules solaires à pérovskite 2D

Les cellules solaires à pérovskite intègrent une structure cristalline en couches afin de créer un design plus léger et plus efficace. Ces unités sont le type de panneau solaire le plus avancé disponible aujourd’hui. Elles intègrent des feuilles de halogénure métallique qui utilisent un espace organique pour maximiser la conversion de la lumière. Notamment, les pérovskites 2D ont une formule chimique RAn‑1BnX3n+1.

Avantages des panneaux solaires à pérovskite 2D pour les drones

Plusieurs raisons expliquent pourquoi les cellules à pérovskite 2D restent le choix privilégié des ingénieurs de drones. D’une part, elles offrent une meilleure stabilité thermique et à l’humidité. Les espaces organiques intégrés à ces dispositifs sont essentiels car ils agissent comme des barrières hydrophobes.

De plus, les cellules solaires à pérovskite offrent un rendement quantique de photoluminescence (PLQY) amélioré par rapport aux versions traditionnelles. La structure cristalline permet à ces unités de fournir une puissance plus stable et uniforme sur l’ensemble du dispositif. Fait intéressant, il existe désormais des cellules solaires à pérovskite 3D. La principale différence réside dans l’arrangement précis des cristaux.

Aperçu de l’étude: percée des panneaux solaires flexibles et légers

L’étude « Cellules solaires à pérovskite quasi‑2D flexibles avec puissance spécifique élevée et stabilité améliorée pour les drones autonomes en énergie »,¹ publiée dans Nature, met en lumière un nouveau type de cellule solaire.

Les cellules solaires à pérovskite quasi‑bidimensionnelles sans oxyde conducteur transparent offrent une génération d’énergie fiable et stable à partir d’un design minuscule et léger. Cette nouvelle conception pourrait aider à alimenter les futures explorations spatiales et bien plus encore.

Source – Nature Energy

Les chercheurs de la JKU ont partagé leur conception et leur processus de fabrication des cellules solaires à pérovskite quasi‑2D ultra‑légères. Ils ont commencé par s’assurer que le dispositif était très fin et flexible.

Les ingénieurs ont également ajouté de l’iodure d’ammonium alpha‑méthylbenzyle directement dans la couche pérovskite photo‑active. Cette étape a facilité l’application d’un film polymère ultra‑mince ne mesurant que 2,5 μm. Impressionnant, cela représente 20 fois moins que la largeur d’un cheveu humain. Ensuite, il a été revêtu d’une couche de barrière d’alumine, contribuant à optimiser davantage les capacités de génération solaire.

Tests en conditions réelles sur des plateformes de drones autonomes

Dans le cadre du processus de test, l’équipe a modifié un quadricoptère standard pour qu’il utilise leurs panneaux solaires. Concrètement, 24 cellules solaires interconnectées de 1 cm² ont été fixées à l’appareil. Notamment, ces cellules étaient ultra‑minces et légères, ne pesant pas plus d’un quatre‑centième du poids total de l’engin.

Les ingénieurs ont réalisé plusieurs essais afin de s’assurer que leur dispositif fonctionnait correctement et pouvait produire l’énergie prévue lors de la démonstration de performance et de stabilité. L’appareil a enregistré une puissance spécifique championne de 44 W/g, avec une moyenne légèrement inférieure de 41 W. Il a pu fournir une tension en circuit ouvert de 1,15 V. Au total, il a atteint une efficacité de 20,1 %, avec une moyenne de 18,1 %.

Résultats de performance: densité de puissance et indicateurs d’efficacité

Les résultats ont montré que les cellules solaires à pérovskite ultra‑légères offrent une solution rentable pour les dispositifs de récolte d’énergie autonomes. La performance remarquable de l’unité et sa puissance de sortie de 44 W par gramme la distinguent des technologies concurrentes actuelles.

De plus, le test a prouvé que ces unités d’alimentation pouvaient permettre aux drones d’effectuer des vols plus longs et de réaliser des cycles consécutifs charge‑vol‑charge sans recharge filaire. Ces facteurs indiquent que cette approche permettra finalement aux dispositifs autonomes de fonctionner à l’échelle mondiale.

Pourquoi les panneaux solaires à pérovskite flexibles sont une révolution

De nombreux avantages accompagnent la nouvelle conception de panneaux solaires. D’une part, ils offrent des électroniques ultra‑légères et à haute efficacité énergétique capables de s’alimenter elles‑mêmes. À l’avenir, vos appareils électroniques n’auront peut‑être plus besoin de prise ni de coût de fonctionnement. Au lieu de cela, ils pourraient capter directement l’énergie grâce à ces cellules solaires.

Légèreté

Le design léger de ces cellules solaires les rend idéales pour une utilisation en vol autonome ou dans d’autres petites applications. Ces cellules sont suffisamment petites pour permettre aux appareils de décoller sans perturber leurs fonctions. Ainsi, elles seront assurément davantage intégrées à l’avenir.

Adaptable

Ces cellules solaires sont hautement adaptables pour répondre à une variété de scénarios d’utilisation. Elles peuvent être façonnées en motifs spécifiques ou adaptées à une petite surface tout en fournissant suffisamment d’énergie pour accomplir les tâches. À l’avenir, les ingénieurs chercheront à créer des conceptions encore plus flexibles.

Très efficace

L’efficacité des panneaux solaires a été une préoccupation majeure depuis les débuts de la technologie. Les cellules solaires actuelles ne sont pas très efficaces, la majorité de l’énergie étant perdue sous forme de chaleur et d’autres facteurs. Cette dernière conception contribue à améliorer l’efficacité et offre aux ingénieurs davantage de flexibilité de conception sans compromettre les performances.

Cas d’utilisation réels des panneaux solaires légers

Il existe une vaste gamme d’applications pour ces nouveaux panneaux. D’une part, leur conception ultra‑mince et leur puissance de sortie les rendent idéaux pour divers besoins de petite génération d’énergie. Voici quelques‑unes des applications potentielles de ces dispositifs.

Industrie aérospatiale

L’industrie aérospatiale pourrait exploiter cette technologie de multiples façons. De l’alimentation de drones et d’engins à portée illimitée, à la facilitation de l’exploration spatiale vers de nouvelles planètes. Déjà, l’industrie aérospatiale a intégré des versions antérieures de cette technologie pour atteindre des jalons remarquables. Aujourd’hui, la technologie est prête à alimenter une nouvelle génération d’explorateurs et de scientifiques.

Électronique portable

Les appareils portables constituent un secteur technologique en pleine expansion qui touche de multiples industries. Ces dispositifs comprennent bien plus que votre smartphone. Il existe des appareils médicaux qui enregistrent des données critiques pour les patients et qui pourraient voir leur utilisation et leur durée de vie prolongées grâce à cette technologie. De même, les dispositifs de sécurité personnelle pourraient fonctionner plus longtemps et devenir plus efficaces.

Internet des objets

L’Internet des objets (IoT) est un secteur technologique immense qui comprend des milliards d’appareils intelligents. Ces appareils dépendent actuellement de batteries et de sources d’alimentation. À l’avenir, ils pourraient ne plus avoir besoin de ces éléments, l’énergie solaire pouvant les aider à obtenir les mêmes résultats avec moins d’effort. Notamment, des milliards d’appareils intelligents appartiennent à la catégorie IoT. Ainsi, l’intégration de capacités d’auto‑alimentation serait une véritable révolution.

Recherche et sauvetage

Un autre point d’intérêt majeur est l’utilisation de ces systèmes pour alimenter les drones de recherche et de secours. Déjà, l’usage de robots souples capables d’adapter leur corps pour se faufiler dans des espaces étroits, comme les tuyaux ou les fissures, est considéré comme la meilleure option pour les futures opérations de secours et de catastrophe. Ajouter un système auto‑alimenté à ces appareils renforcerait leurs capacités et permettrait des opérations prolongées.

Cartographie

Les drones alimentés par énergie solaire seraient la solution idéale pour les opérations de cartographie à grande échelle. Vous pourriez penser que la cartographie est une science ancienne, mais la réalité est tout autre. Chaque jour, la Terre évolue, et les frontières, ressources et autres caractéristiques essentielles changent. Ainsi, cartographier ces changements est un aspect crucial du suivi de l’environnement et d’autres développements majeurs.

Les drones de cartographie sans fil alimentés par énergie solaire pourraient parcourir d’immenses distances et fournir des données cartographiques actualisées sans aucune intervention humaine. Rendre ces appareils solaires les aiderait à atteindre leurs objectifs sans les retards supplémentaires liés au retour aux stations de charge.

Rencontrez les chercheurs à l’origine de la conception révolutionnaire

Les chercheurs de l’Université Johannes Kepler de Linz ont dirigé l’étude sur les panneaux solaires flexibles. L’article cite Bekele Haile Gnaw, Stepan Demchyshyn, Christoph Putz, Lukas E. Lehner, David Schiller, Roland Pruckner et Martin Kaltenbrunner comme auteurs principaux. L’équipe cherche désormais à améliorer leur conception, la rendant plus petite et plus efficace.

Mise en avant d’une action: First Solar et l’avenir de la technologie solaire

Plusieurs entreprises mènent la course aux panneaux solaires. Ces sociétés continuent de pousser l’innovation à de nouveaux sommets afin de rendre des panneaux plus petits et plus efficaces accessibles au grand public. Cette dernière avancée les aidera certainement à atteindre leurs objectifs. Voici une entreprise bien placée pour tirer pleinement parti de ces développements.

First Solar

First Solar (FLSR ) est entrée sur le marché en 1999 sous le nom de First Solar Holdings. Son objectif était de fournir des panneaux solaires haut de gamme et efficaces aux clients industriels et aux entreprises. Ainsi, son marché principal consiste à fournir des panneaux aux grandes centrales solaires. L’entreprise a son siège à Tempe, en Arizona.

Depuis son lancement, l’entreprise a élargi ses activités et son offre de produits pour inclure une gamme d’options liées à l’énergie solaire. Notamment, la société a été pionnière de la technologie des semi‑conducteurs ultra‑minces et a joué un rôle essentiel dans la promotion du recyclage accru dans le secteur des panneaux solaires. Aujourd’hui, elle est considérée comme l’une des options les plus respectueuses de l’environnement pour la fabrication de panneaux solaires.

First Solar a connu une baisse de son cours boursier au cours de l’année écoulée, en partie à cause des conflits en Ukraine et d’autres facteurs. Malgré cette chute, de nombreux analystes prévoient que cette action verra une demande croissante à l’avenir.

L’entreprise développe actuellement de nouveaux produits et possède des installations de fabrication aux États‑Unis, en Malaisie et au Vietnam. Ceux qui recherchent une action solaire fiable et reconnue devraient envisager d’approfondir leurs recherches sur FSLR.

Dernières nouvelles de First Solar

L’avenir du solaire: appareils sans câble et auto‑alimentés

En examinant la technologie et le potentiel de cette étude, il devient évident que l’avenir sera probablement guidé par les sources d’énergie renouvelable, comme le solaire. À mesure que ces panneaux deviennent plus abordables, plus petits et plus efficaces, ils seront largement intégrés.

À l’avenir, vous n’aurez peut‑être plus besoin de changer vos appareils électroniques ; il suffira de les placer près d’une fenêtre pendant 10 minutes. Tout cela et bien plus encore sont possibles grâce aux concepts innovants présentés dans l’étude sur les panneaux solaires flexibles.

Découvrez d’autres développements en énergie renouvelable ici.

Études référencées:

^{1. Hailegnaw, B., Demchyshyn, S., Putz, C. et al. Flexible quasi-2D perovskite solar cells with high specific power and improved stability for energy-autonomous drones. Nat Energy 9, 677–690 (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01500-2}