Solutions énergétiques spatiales pour une énergie propre infinie

Stimuler les énergies renouvelables

L’effort pour décarboniser et électrifier nos systèmes énergétiques repose actuellement sur les énergies renouvelables, en particulier l’éolien et le solaire. L’énergie géothermique et le nucléaire pourraient également aider.

• La géothermie reste encore assez peu prouvée lorsqu’il s’agit de production à grande échelle et dépend de ressources thermiques locales inégales.
• Le nucléaire est impopulaire, produit des déchets nucléaires et nécessite beaucoup de capital initial. Cela freine son adoption, même si la plupart de ces problèmes pourraient être résolus par 4^thgénération de systèmes nucléaires.
• Les renouvelables souffrent d’intermittence, obligeant les réseaux électriques à investir d’énormes sommes dans les batteries et autres formes de stockage d’énergie.

En ce qui concerne l’énergie solaire, l’intermittence semble être une caractéristique inévitable, la Terre étant dans l’obscurité la moitié du temps. Pour aggraver ce problème, la couverture nuageuse peut réduire drastiquement la production d’électricité pendant des semaines voire des mois dans certaines régions du monde, sans même parler des problèmes causés par la poussière ou la neige.

Et si, pour éviter la nuit et les problèmes climatiques, nous placions notre base solaire dans l’espace ? Comment cela fonctionnerait‑il ? Et existe‑t‑il une autre façon d’alimenter les civilisations de la Terre depuis l’espace ?

Énergie solaire spatiale

La première caractéristique clé de l’énergie solaire spatiale est que, comme les satellites de production orbitent autour de la Terre, ils peuvent être placés sur une orbite qui n’est jamais dans l’ombre de la Terre, produisant ainsi 24 h/24. Cela double non seulement la production, mais élimine également la nécessité de batteries pour les centrales solaires terrestres.

Associée à l’absence de réduction de production en hiver ou à cause des nuages, l’énergie solaire intermittente devient presque une puissance de charge de base parfaite.

Un autre facteur est que l’atmosphère absorbe une grande partie de la lumière du Soleil même sans nuages. L’inclinaison de la Terre et sa forme sphérique réduisent également la quantité de soleil qui atteint le sol loin de la région équatoriale.

Les panneaux solaires orbitaux ne souffrent d’aucune de ces limitations. Grâce à la combinaison de tous ces facteurs, un panneau solaire en orbite pourrait produire jusqu’à 40 fois plus qu’un panneau au sol.

Comment ça fonctionne ?

Nous savons déjà comment produire de l’énergie solaire dans l’espace, les panneaux solaires haute performance alimentant pratiquement tous les satellites et la station spatiale internationale. En théorie, il suffirait d’envoyer en orbite beaucoup plus de ces panneaux solaires et de renvoyer l’énergie vers la Terre.

Source: Solar.com

Étonnamment, la partie renvoi de l’énergie n’est pas aussi difficile qu’on pourrait l’imaginer. Le concept dominant jusqu’à présent est d’utiliser des micro‑ondes (2,45 GHz), qui ne sont pas absorbées par les nuages. Les micro‑ondes sont ensuite absorbées et reconverties en électricité grâce à un type d’antenne dédié appelé rectenna.

Alternativement, l’énergie pourrait également être renvoyée par des lasers.

Source: ESA – European Space Agency

Renvoyer une quantité massive d’énergie vers la surface de la Terre peut sembler inquiétant. Cela évoque l’image d’un rayon mortel de super‑méchant de science‑fiction. Cependant, en pratique, un tel faisceau serait riche en énergie mais loin d’être suffisamment puissant pour représenter un danger pour la surface.

Il faut noter que l’un des avantages de ce système est que l’énergie DC créée par les panneaux solaires peut être utilisée directement pour la transmettre, l’énergie AC n’étant générée au sol que pour injecter l’électricité dans le réseau.

Pourquoi maintenant ?

Coûts des panneaux solaires

Produire de l’énergie à partir d’usines solaires orbitales est une idée ancienne. Mais ce n’est que maintenant qu’elle commence à sembler viable.

La première raison est l’augmentation de l’efficacité et la baisse des coûts des panneaux solaires, qui sont les mêmes facteurs qui en ont fait une option viable au sol.

Source: News Channel 3

Des progrès technologiques supplémentaires pourraient encore augmenter l’efficacité de conversion. Actuellement, les panneaux solaires terrestres couramment utilisés ont une efficacité de 20 à 23 %. Ceux utilisés dans l’espace atteignent souvent 30 %, le coût supplémentaire étant compensé par un poids moindre à mettre en orbite, avec des gains supplémentaires attendus.

“Les panneaux actuels utilisés dans l’espace atteignent des efficacités de l’ordre de 30 % dans la conversion de la lumière solaire en électricité, et dans les 20 prochaines années nous prévoyons qu’ils atteindront 40 %”
Nicola Rossi, Responsable de l’innovation chez Enel Group

Coûts de lancement

L’autre éléphant dans la pièce est la chute des coûts d’accès à l’orbite, presque entièrement due aux réalisations de SpaceX avec les fusées réutilisables. Ce coût a déjà été divisé par 10 et devrait continuer à baisser avec le lancement du Starship et la production de masse de la plus grande fusée de l’histoire.

Source: Ark Invest

Lorsque les coûts de lancement étaient de 7 716 £ par kilogramme, cela représentait environ 154 £ par watt de « coûts d’installation », comparé à seulement 2‑1,5 £ au sol. Mais si les coûts de lancement peuvent baisser suffisamment, cela rend le solaire spatial viable d’un point de vue économique. Et Elon Musk vise seulement 100 $/kg à long terme, grâce à la réutilisabilité totale de la charge massive du Starship.

Limites de l’énergie solaire spatiale

Prix et coûts de lancement

Comme expliqué ci‑dessus, l’énergie solaire n’est viable que si les coûts de lancement diminuent de façon significative. Bien que cela puisse se produire, il n’est pas clair à quelle vitesse une nouvelle réduction de 10 fois du coût de lancement orbital peut être atteinte.

Cela pourrait retarder considérablement l’adoption du solaire spatial, la plupart des grands projets prototypes (proches de l’échelle MW) ne sont pas attendus avant 2025‑2030 au mieux. Un impact significatif ne sera pas atteint avant la construction de systèmes 1 000 fois plus grands, au niveau GW.

Encombrement orbital

Une autre préoccupation est la durabilité réelle des panneaux solaires en orbite. L’espace est un environnement hostile, à haute radiation, et les panneaux se dégraderont avec le temps. Il en sera probablement de même pour les composants électroniques comme l’antenne à micro‑ondes.

De plus, l’espace orbital devient de plus en plus encombré. Les débris spatiaux deviennent une préoccupation sérieuse, et les constellations de satellites en orbite basse (LEO) augmentent de façon exponentielle le nombre d’objets autour de notre planète.

Les centrales solaires spatiales couvriraient plusieurs kilomètres carrés, ce qui les rendrait susceptibles d’être régulièrement frappées par des débris spatiaux. Même les micrométéorites deviendront un problème si la surface et le temps le permettent.

Dans le pire des scénarios, un impact majeur créerait davantage de débris, qui à leur tour généreraient plus de débris, dans une cascade catastrophique détruisant la plupart des satellites de la Terre. C’est un phénomène connu sous le nom de syndrome de Kessler.

Actuellement, le syndrome de Kessler serait déjà suffisamment dommageable, perturbant les télécommunications, l’imagerie spatiale, la science, ainsi que les systèmes d’alerte précoce de détection d’armes nucléaires.

Mais si une grande partie de l’énergie de la Terre était fournie par des centrales solaires orbitales, un tel événement serait encore plus dévastateur.

Durabilité et recyclage

Excepté si elles sont situées dans une orbite très lointaine, loin du LEO, les trajectoires des satellites ont tendance à décliner assez rapidement. Ainsi, les centrales solaires devront être placées sur des orbites plus élevées, vers les orbites géostationnaires (GEO), augmentant les coûts car elles nécessitent plus de capacité de lancement.

Cela remet également en question leur recyclage, car ces panneaux solaires consommeront de nombreuses ressources précieuses et non renouvelables, dont l’argent.

Donc, à long terme, toute infrastructure solaire à grande échelle devra également maîtriser le recyclage des panneaux au lieu de les détruire en les maintenant en orbite ou en les faisant retomber sur Terre.

Enfin, envoyer du matériel en orbite est très énergivore. Ainsi, seules des fusées à haute efficacité rendront le processus viable, permettant aux panneaux solaires orbitaux de « rembourser » l’énergie utilisée non seulement pour les fabriquer mais aussi pour les mettre en orbite.

Pertes d’énergie

Comme nous l’avons dit, les panneaux solaires dans l’espace reçoivent beaucoup plus d’énergie que sur le sol. Cependant, ils doivent également passer par plusieurs étapes supplémentaires par rapport aux systèmes terrestres avant d’alimenter le réseau:

• Terrestre: collecter la lumière du soleil -> convertir le DC en AC -> envoyer l’énergie dans le réseau.
• Spatiale: collecter la lumière du soleil -> convertir en micro‑ondes -> reconvertir les micro‑ondes en électricité -> convertir le DC en AC -> envoyer l’énergie dans le réseau.

Les multiples étapes supplémentaires impliquant le renvoi des micro‑ondes provoquent d’énormes pertes d’énergie, s’ajoutant à l’efficacité maximale de conversion de 30‑40 % de la lumière solaire en énergie.

“Le système que nous avons utilisé dans notre démonstration avait une efficacité de bout en bout d’environ 5 %. Ce n’est pas quelque chose qui serait opérationnellement viable, même si la lumière du soleil est gratuite. Pour qu’une centrale solaire spatiale ait un sens, l’efficacité devrait être d’au moins 20 %.”
Jean-Dominique Coste – Senior Manager chez Airbus Blue Sky

Orbites stables et vent solaire

Une dernière question est de savoir comment gérer la trajectoire orbitale des centrales solaires.

Le panneau solaire devra constamment ajuster sa position pour recevoir le maximum d’exposition au soleil. Les faisceaux de micro‑ondes devront être constamment redirigés pour atteindre la bonne zone de la surface de la Terre.

En raison de leur légèreté et de leur exposition maximale au soleil, les panneaux solaires seront poussés par des ailes solaires et la lumière. En fait, cette pression de la lumière a été envisagée pour créer des voiles solaires afin de propulser des vaisseaux spatiaux.

Dans le contexte d’une centrale solaire orbitale qui doit rester stable, cela pourrait devenir un problème.

Perspectives globales des photovoltaïques spatiaux

Une grande partie de l’avenir du solaire spatial dépendra du développement de l’industrie spatiale dans son ensemble. Quelques facteurs clés devront se réunir pour que cela se réalise:

• La croissance de l’industrie permet d’atteindre l’échelle et l’innovation afin de réduire les coûts de lancement aux niveaux requis.
• Le développement d’une économie industrielle orbitale et/ou cis‑lunaire, au minimum pour la maintenance et le recyclage des satellites de puissance.
• Une gestion appropriée des débris spatiaux et le maintien de l’orbite comme zone neutre et pacifique.

Alternative au solaire photovoltaïque spatial

Solaire concentré et miroirs orbitaux

Le processus lumière → énergie → micro‑ondes → retour au système d’énergie engendre intrinsèquement d’énormes pertes, ce qui compense partiellement le rendement solaire plus élevé d’être dans l’espace.

C’est une critique fondamentale de ce concept, même adoptée par nul autre qu’Elon Musk dès 2012

« Laissez-moi vous parler d’une de mes idées favorites : l’énergie solaire spatiale. OK, la chose la plus stupide qui soit.

Et si quelqu’un devait penser, aimer l’énergie solaire spatiale, ce devrait être moi. J’ai une entreprise de fusées et une entreprise solaire. Je devrais être – je devrais vraiment m’y mettre, vous savez. »

Bien sûr, beaucoup de choses ont changé depuis 2012. Les prix des panneaux solaires et les coûts de lancement se sont effondrés. Et le besoin de génération d’énergie de base renouvelable est bien plus important.

Cependant, il pourrait exister une alternative : refléter directement la lumière du soleil au lieu de la capter avec des panneaux photovoltaïques. Cela pourrait être réalisé en plaçant un miroir géant en orbite.

Un avantage de cette méthode est que nous savons comment construire des miroirs ultra‑légers et ultra‑minces dans l’espace, en utilisant du papier d’aluminium. Comme le matériau n’a besoin que d’être réfléchissant sans électronique, il peut être beaucoup moins cher et plus léger par mètre carré qu’une cellule photovoltaïque.

L’idée est notamment soutenue par Ben Nowack, fondateur de Reflect Orbital, le SOLSPACE de l’Université de Glasgow (avec une subvention de 2,5 M€ du Conseil européen de la recherche), et le géant de l’énergie Laborelec d’Engie.

L’idée est d’alimenter les fermes solaires terrestres pendant la nuit en dirigeant la lumière du soleil vers elles. Ainsi, le modèle économique serait de « vendre » la lumière du soleil aux services solaires au sol.

Un tel système ne pourrait pas traverser la couverture nuageuse mais pourrait être une excellente option pour les fermes solaires installées dans des zones sèches ou désertiques.

Potentiellement, le concept pourrait également augmenter les « classiques » centrales photovoltaïques spatiales, en augmentant à moindre coût l’énergie totale qu’elles reçoivent avant de la renvoyer vers la Terre.

En 2018, la Chine a annoncé des plans pour utiliser un tel système de miroirs afin de remplacer les éclairages de rue nocturnes d’ici 2022. Bien que cela n’ait pas été réalisé, cela pourrait être une façon créative d’utiliser le « solaire » spatial pour réduire notre consommation d’énergie la nuit lorsque les renouvelables sous‑produisent.

Usines spatiales

Comme expliqué ci‑dessus, un coût majeur du solaire spatial est la nécessité d’envoyer des centaines ou des milliers de tonnes de matériel en orbite. Une solution à ce problème serait de produire directement les panneaux solaires (ou les miroirs) dans l’espace, en utilisant les ressources déjà présentes sur place.

Cette méthode éliminerait complètement de l’équation le coût de mise en orbite de la centrale solaire. Elle le remplacerait par le coût d’envoi uniquement de l’équipement nécessaire à la création d’une usine de panneaux solaires (ou de miroirs) spatiale.

Une façon de procéder serait de capturer des astéroïdes contenant les ressources adéquates, de les exploiter, et de produire directement la centrale en orbite.

Conceptuellement solide, cela reste toutefois très spéculatif, car aucune forme d’exploitation minière d’astéroïdes n’a encore été réalisée.

Base lunaire

Même si les centrales solaires sont produites dans l’espace, les problèmes liés à la gestion des impacts du vent solaire provenant des débris spatiaux et au recyclage resteront.

Une alternative serait d’installer les stations solaires sur la Lune à la place. L’énergie serait collectée par d’immenses fermes solaires construites sur la Lune puis renvoyée directement ou indirectement vers la Terre. Les faisceaux micro‑ondes provenant de la Lune peuvent également être redirigés par des miroirs, car les métaux reflètent les micro‑ondes.

Source: Arizona State University

Comparé aux satellites solaires LEO et GEO, cela présente quelques avantages:

• Gravité: avec 1/6 de la gravité terrestre, la Lune pourrait être beaucoup plus adaptée pour adapter le processus de fabrication terrestre à l’espace que les environnements totalement sans poids.
• Parfait pour le solaire: sans atmosphère, la surface de la Lune ne subit jamais de vent, de nuages, de brouillard, de glace, de tempêtes de poussière, de grêle, etc. Ainsi, la production d’énergie sera très fiable et prévisible.
• Maintenance humaine: les systèmes orbitaux devraient dépendre entièrement des robots pour l’assemblage, la maintenance et le recyclage. En revanche, les projets à venir de bases lunaires par les États‑Unis ainsi que la Chine+Russie fourniraient la main‑d’œuvre locale lorsque les robots ne suffisent pas.
• Ressources: La Lune est un corps céleste massif, susceptible de contenir de nombreuses ressources. Cela en fait un meilleur candidat pour une usine spatiale que l’idée non prouvée de l’exploitation minière d’astéroïdes.

Le silicium, l’aluminium et le fer peuvent être extraits chimiquement du sol lunaire pour la fabrication de cellules solaires. Des éléments traces peuvent être amenés depuis la Terre pour le dopage des cellules solaires.

Il est estimé qu’un kilogramme de matériaux transporté de la Terre vers la Lune permettrait de livrer 200 fois plus d’énergie électrique à la Terre qu’un kilogramme d’un satellite solaire.

David R. Criswell

Cependant, l’idée présente certaines limites.

Notamment, la Lune a un cycle jour/nuit de 28 jours, obligeant un tel concept à s’appuyer sur une succession de centrales réparties sur toute la surface de la Lune (ou des miroirs orbitaux) pour produire une sortie continue.

Hélium‑3, fusion et centrales lunaires

Une autre discussion sur l’énergie future impliquant la Lune concerne son dépôt d’hélium‑3. Cet élément très rare sur Terre pourrait théoriquement alimenter une forme ultra‑efficace de fusion nucléaire.

En théorie, cela pourrait faire de l’exploration spatiale et de l’exploitation minière une caractéristique clé de notre futur approvisionnement énergétique. En pratique, la fusion est encore à un stade expérimental.

Des sources similaires d’isotopes rares d’hydrogène, d’hélium et d’autres éléments, par exemple dans les géantes gazeuses Jupiter et Saturne, pourraient jouer un rôle similaire à long terme.

La Lune pourrait également être envisagée comme un site pour un système énergétique potentiellement dangereux mais très productif (notamment nucléaire), éliminant la conséquence d’une défaillance catastrophique sur Terre. Cependant, la perte d’énergie lors du renvoi d’une telle source de puissance, ainsi que les coûts de construction dans l’espace, pourraient le rendre non rentable.

Entreprises du solaire spatial

1. Space Solar

Space Solar est une entreprise britannique qui cherche à développer un satellite solaire spatial de 2 GW, CASSIOPeiA. Ce serait de loin l’une des plus grandes structures jamais construites par l’humanité, rendant certains des plus hauts gratte‑ciel minuscules en comparaison.

Source: Space Solar

CASSIOPeiA contiendrait 60 000 panneaux solaires, pèserait 2 000 tonnes et orbiterait à une altitude géosynchrone.

La transmission d’énergie serait effectuée à l’aide d’un réseau d’antennes à phase variable pour diriger le faisceau d’énergie. La station au sol devrait mesurer 5 km de diamètre. La technologie de transmission d’énergie a déjà été démontrée sur Terre, avec 30 kW de puissance. Cela a été réalisé grâce à HARRIER, le premier 360° transfert d’énergie sans fil ne nécessitant aucune pièce mobile, un facteur clé pour une haute fiabilité.

Le concept du satellite de puissance reposerait sur 2 réflecteurs solaires renvoyant la lumière du soleil vers le segment collecteur central.

Source: Space Solar

Le programme devrait coûter 17 milliards de £ pour la première version, avec un coût de 3,6 milliards de £ pour les itérations suivantes. Cela le ramènerait à 1/4 du coût d’une centrale nucléaire équivalente de 2 GW de capacité, une comparaison équitable, compte tenu du profil de charge de base de la centrale.

2. Reflect Orbital

Comme mentionné précédemment, Reflect Orbital ne cherche pas à générer de l’énergie en orbite. Au lieu de cela, son activité vise à « vendre la lumière du soleil après la nuit » aux entreprises solaires terrestres.

Les prix de pointe se situent souvent juste après le coucher du soleil, lorsque les gens sont de retour chez eux mais que les renouvelables sont hors ligne, ce qui peut être une bonne stratégie. De plus, le faisceau solaire du satellite peut être facilement redirigé vers différents emplacements, permettant un arbitrage entre différents prix entre pays ou des conditions météorologiques défavorables dans une zone.

Cela en fait une entreprise intéressante à suivre au cas où, en effet, la conversion de la lumière du soleil en électricité, puis en micro‑ondes, puis de nouveau en électricité serait un processus trop inefficace pour concurrencer le solaire terrestre.

Pour l’instant, l’entreprise développe ses satellites et lève des fonds. Pour mieux expliquer le concept, ils ont également réalisé une démonstration avec un ballon à air chaud à 3 km de hauteur qui est devenue virale.

Source: Reflect Orbital

L’entreprise prévoit de tester un prototype d’ici 2025. Chaque satellite ne pèserait que 35 livres (16 kilogrammes) et serait équipé de miroirs en mylar de 33 pieds par 33 pieds (9,9 m x 9,9 m), se déployant une fois en orbite.

Les plans de Reflect Orbital peuvent être moins high‑tech qu’un réseau complet de satellites solaires orbitaux ou lunaires. Mais cela pourrait être une force, car ils utilisent essentiellement uniquement des technologies déjà connues de manière créative, maîtrisées depuis des décennies. Cela pourrait réduire quelque peu le risque du projet.