L’ÉNERGIE PROPRE DANS L’ESPACE

Le 9 juillet 2023 / IBI World Royaume-Uni, Science et technologie / Laisser un commentaire

Pensez-y, il n’y a plus qu’un pas à franchir pour que cela devienne possible. Tirez le levier du panneau électrique de votre maison et il se connecte à un rayon d’énergie provenant du soleil et rebondissant sur un satellite : pas de coût, pas de dommages écologiques, pas de fin. Un réseau existant de satellites peut prévenir les pannes d’électricité. Lorsque la planète tourne et qu’il fait nuit, nos maisons, nos transports et nos systèmes de chauffage utilisent l’électricité stockée pendant la journée. Pas de câbles sous terre, pas de déchets à éliminer…

Sans énergie, la vie sur la planète est impossible. Les plantes et les animaux disposent de systèmes complexes pour transformer le soleil et la nourriture en énergie, sans laquelle ils ne peuvent exister. Entre-temps, l’humanité a découvert des moyens d’utiliser l’énergie bien au-delà de ce qu’un seul corps humain peut produire. Les formes d’énergie et les méthodes d’utilisation ont beaucoup évolué : de l’utilisation de la force musculaire de l’homme lui-même, puis des animaux domestiqués, à l’obtention d’énergie à partir de diverses sources et à la gestion des flux d’énergie. La consommation mondiale d’énergie augmente chaque année, car les systèmes énergétiques sont le moteur du développement social et économique et l’énergie est essentielle pour tous les aspects du bien-être humain.

Mais alors que la courbe de la demande d’énergie continue d’augmenter pour atteindre des niveaux inimaginables il y a seulement un quart de siècle, après avoir accepté que les ressources de notre planète sont limitées et que les combustibles fossiles seront bientôt épuisés, l’humanité développe d’autres moyens de produire de l’énergie en utilisant des ressources énergétiques renouvelables telles que le vent, l’eau, le soleil, la géothermie et l’énergie marémotrice.^[1] . La production d’énergie est au cœur du problème climatique mondial, car la plupart des gaz à effet de serre sont générés par la combustion de combustibles fossiles. Le charbon, le pétrole et le gaz sont les principaux responsables du changement climatique mondial, puisqu’ils sont à l’origine de 75 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre et de près de 90 % de l’ensemble des émissions de dioxyde de carbone^[2] . Mais nous sommes pris entre le marteau et l’enclume : nous avons besoin de plus en plus d’énergie et nous devons cesser d’utiliser des énergies qui empoisonnent l’écosystème, faute de quoi la vie disparaîtra bientôt de la planète.

L’énergie du soleil

Consommation mondiale d’énergie^[3]

L’énergie solaire est utilisée depuis longtemps et partout, et les panneaux solaires sont depuis longtemps d’usage courant. Mais cette technologie n’est pas parfaite. Outre le coût élevé des composants, la complexité de l’installation et la faible densité de puissance, le plus gros problème est l’atmosphère terrestre, car les molécules de notre atmosphère dispersent environ la moitié de la lumière du soleil. De plus, en raison des conditions météorologiques variables et de la variabilité des rayons du soleil qui en résulte, ce type d’énergie constitue rarement une source permanente^[4] . Mais qu’en est-il de l’obtention de cette énergie au-delà de l’atmosphère ? L’énergie solaire spatiale permet d’exploiter les réserves d’énergie pratiquement illimitées du soleil dans l’espace, où elles sont constamment disponibles et indépendantes des cycles jour/nuit, des saisons et des conditions météorologiques, ce qui peut multiplier le rendement par huit par rapport aux panneaux solaires installés à la surface de la terre^[5] .

Le California Institute of Technology a lancé le Space Solar Power Project (SSPP), qui vise à collecter l’énergie solaire dans l’espace et à la transmettre à la surface de la Terre. Dans le cadre de ce projet, l’expérience pionnière MAPLE (Microwave Array for Power-Transfer Low-orbit Experiment) menée il y a quelques semaines a démontré pour la première fois que la transmission sans fil de l’énergie solaire de l’espace vers la Terre est possible avec la technologie dont nous disposons déjà. L’énergie solaire spatiale est une solution révolutionnaire qui permet d’exploiter l’énergie solaire illimitée par l’intermédiaire de satellites solaires^[6] .

SSPD-1, le démonstrateur spatial d’énergie solaire, était le premier prototype spatial de ce projet. Il s’agit d’un projet complexe et innovant comprenant trois expériences : MAPLE, DOLCE et ALBA. MAPLE (Microwave Array for Power-Transfer Low-orbit Experiment) se concentre sur la transmission d’énergie sans fil, tandis que DOLCE vise à démontrer l’architecture et les mécanismes de déploiement d’un engin spatial modulaire : une structure composite ultralégère qui se déploie de la même manière qu’une voile de 2 mètres de diamètre. Bien que la voile ne contienne pas de cellules solaires, son but est de tester la finesse, la flexibilité et le déploiement à grande échelle qui seront nécessaires pour construire une future centrale électrique^[7] . Quant à ALBA, conçu pour évaluer l’efficacité de diverses cellules photovoltaïques dans des conditions spatiales difficiles, il teste 32 échantillons de cellules solaires^[8] . Le quatrième élément du SSPD est l’unité électronique, qui communique avec l’ordinateur du vaisseau spatial et surveille et contrôle les trois expériences.^[9]

Un démonstrateur spatial d’énergie solaire de 50 kilogrammes a été lancé dans l’espace en janvier de cette année par le vaisseau spatial Momentus Vigoride, installé à bord d’une fusée SpaceX dans le cadre de la mission Transporter-6. Une fois en orbite, il a déployé des panneaux photovoltaïques expérimentaux conçus pour récolter l’énergie solaire dans le vide^[10] . MAPLE est équipé d’un émetteur à micro-ondes, qui est lui-même un système de 32 antennes regroupées en grappes de 16. Chaque grappe est contrôlée par une seule puce de circuit intégré flexible, personnalisée, fabriquée à partir d’une technologie de silicium à faible coût. À une distance d’environ 30 cm de l’émetteur se trouvent deux récepteurs, appelés matrices, qui sont des systèmes indépendants de récepteurs de signaux.

Le principe de Maple de la transmission d’énergie sans fil^[11]

L’énergie solaire collectée par les cellules photovoltaïques est convertie en ondes électriques par l’émetteur et transmise aux récepteurs de signaux, qui convertissent à leur tour les micro-ondes en courant électrique continu et l’envoient avec une précision millimétrique vers des sites de stockage sur terre^[12] . Ce principe de transmission d’énergie sans fil à travers l’espace est basé sur un phénomène quantique appelé « interférence ».

Cette interférence est observée lorsque deux ou plusieurs ondes se chevauchent. En fonction de la relation de phase entre les ondes, celles-ci peuvent s’amplifier (interférence constructive) ou s’affaiblir (interférence destructive). Lorsque deux ondes se rencontrent en phase, leurs amplitudes s’additionnent et il y a interférence constructive. Dans ce cas, on observe une amplification des ondes et les zones où les amplitudes s’additionnent sont appelées maxima d’interférence^[13] .

Pour simplifier, cet effet peut être observé si vous créez des vagues avec vos mains immergées dans l’eau : il y a des zones où la vague est plus forte, et des zones où la vague diverge. Cependant, si l’on imagine qu’il y a deux ou plusieurs sources et qu’elles créent des ondes de manière coordonnée, c’est-à-dire simultanément et dans la même direction, avec la même phase, alors les ondes se concentrent dans une direction et se compensent dans toutes les autres directions et leur pic à leur rencontre crée un pic de plus grande hauteur. Ce phénomène permet de réaliser le principe de la « loupe », selon lequel le flux d’énergie provenant de plusieurs sources peut être concentré et coordonné dans la direction souhaitée^[14] . Du soleil directement dans nos cuisines.

En utilisant ce principe, les scientifiques du California Institute of Technology ont démontré l’efficacité de la transmission d’énergie d’un émetteur de micro-ondes à chacun des deux récepteurs en changeant la focalisation et la direction de l’énergie émise. Le réseau d’émetteurs utilise des commandes de synchronisation précises pour concentrer dynamiquement et sélectivement l’énergie au bon endroit, en ajoutant des ondes électromagnétiques. Cela permet à la majeure partie de l’énergie focalisée d’être transmise dans la direction choisie au-dessus de la terre, sans perturbation due à l’atmosphère.

En contrôlant précisément la synchronisation de ce processus, la direction de l’énergie peut être ajustée très rapidement (en nanosecondes) et l’énergie peut être redirigée vers des récepteurs spatiaux ou même des récepteurs sur Terre. L’ensemble permet de diriger l’énergie au bon endroit et nulle part ailleurs, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser des pièces mécaniques mobiles^[15] . Deux réseaux de récepteurs ont converti l’énergie solaire en courant continu, qui a été utilisé pour alimenter une paire de lampes LED, démontrant ainsi la séquence complète de transfert d’énergie sans fil. MAPLE l’a démontré avec succès en allumant chaque LED et en passant de l’une à l’autre^[16] .

À droite se trouve un émetteur et à gauche deux récepteurs, avec une fenêtre ronde entre eux pour transmettre de l’énergie en dehors du prototype.^[17]

Cela démontre non seulement la possibilité de transmettre l’énergie solaire de l’orbite à la Terre, mais aussi de la transmettre entre les engins spatiaux^[18] . En outre, l’expérience non scellée s’est déroulée dans des conditions spatiales difficiles, y compris les fluctuations de température, le rayonnement solaire et l’irradiation, ce qui démontre la robustesse du système et sa capacité à fonctionner dans de telles conditions.

MAPLE dispose également d’une petite fenêtre à travers laquelle le prototype peut transmettre de l’énergie. La transmission d’énergie a été détectée par un récepteur situé sur le toit du Gordon and Betty Moore Engineering Laboratory sur le campus du California Institute of Technology à Pasadena le 22 mai 2023. Le signal reçu est apparu à l’heure et à la fréquence prévues en fonction de son trajet depuis l’orbite^[19] . Malheureusement, les données sur la puissance transmise de l’espace vers la Terre n’ont pas été publiées^[20] .

L’ensemble du réseau flexible MAPLE, ainsi que ses principales puces électroniques de transmission d’énergie sans fil et ses éléments de transmission, ont été conçus spécifiquement pour ce projet^[21] . Selon les scientifiques, les réseaux de transmission d’énergie doivent être aussi légers que possible afin de minimiser la quantité de carburant nécessaire pour les envoyer dans l’espace, flexibles afin de pouvoir être pliés dans un paquet qui peut être transporté dans une fusée et ensuite déployé avec succès, et en général doivent être une technologie à faible coût^[22] . L’ensemble des trois prototypes de la SSPD a été conçu, fabriqué et testé par une équipe d’environ 35 personnes^[23] .

Perspectives d’une technologie révolutionnaire

Le projet Solaris de l’Agence spatiale européenne consiste à pomper sans fil des gigawatts depuis l’espace^[24]

« Tout comme Internet a mis l’information à la portée de tous, nous espérons que la transmission d’énergie sans fil simplifiera l’accès à l’énergie », a déclaré Ali Hajimiri, responsable du Space Solar Power Project (SSPP). Aucune infrastructure n’est nécessaire pour transporter cette énergie vers la Terre. Cela signifie que nous pouvons envoyer de l’énergie à des régions éloignées et à des zones dévastées par des guerres ou des catastrophes naturelles »,^[25] .

Malgré la faiblesse du signal transmis, qui n’était que de 200 milliwatts (moins que la lumière d’un appareil photo de téléphone)^[26] , cela a suffi à démontrer ce que le système pourrait faire s’il était produit à l’échelle industrielle^[27] . L’équipe de développement évalue et analyse actuellement les différents composants de MAPLE, un processus qui pourrait prendre jusqu’à six mois et fournir une bonne base pour éviter les pièges de la mise en œuvre d’un système d’énergie spatiale à grande échelle à l’avenir. Le SSPP devrait consister en une constellation d’engins spatiaux modulaires utilisant des panneaux solaires semblables à des voiles^[28] , capables de capter la lumière du soleil dans l’espace et, en la convertissant en électricité, de l’émettre sous forme de micro-ondes à de grandes distances^[29] .

En théorie, l’énergie spatiale existe depuis les années 1970 et de nombreux pays sont engagés dans une « course » à l’énergie solaire propre. Un groupe de scientifiques de l’université de Kyoto, en collaboration avec l’agence spatiale japonaise JAXA, prévoit de mener une expérience pour transmettre efficacement l’énergie de l’espace à la Terre vers 2025. Il ne s’agit pas pour les scientifiques de prouver que le transfert est scientifiquement possible, mais de le mettre en pratique. Pour ce faire, ils lanceront de petits satellites pour envoyer de l’énergie solaire à des stations réceptrices au sol^[30] . La réussite d’un tel projet est importante pour la Chine dans le contexte du prestige international dans le domaine de l’énergie spatiale et de la possibilité de coopération avec d’autres États qui en découle^[31] . La start-up Virtus Solis Technologies^[32] travaille également sur la transmission d’énergie et prévoit de lancer une installation pilote en orbite en 2026, avec l’intention d’offrir de l’énergie commerciale aux clients d’ici la fin de la décennie^[33] .

Le développement de l’énergie spatiale dans l’Union européenne est fortement encouragé par l’objectif « Net Zero » pour 2050, une stratégie nationale à long terme visant à créer une économie à zéro émission de gaz à effet de serre dans le but de maintenir l’augmentation de la température mondiale bien en dessous de 2°^[34] . L’Agence spatiale européenne s’efforce de trouver des financements^[35] pour prouver qu’un système satellitaire alimenté par l’énergie solaire est commercialement réalisable^[36] . L’enregistrement d’un brevet suffisamment sophistiqué et fonctionnel suffirait à déclencher l’enthousiasme des autorités de Bruxelles, mises sous pression par la guerre en Ukraine.

Ce n’est pas si simple

Les effets dangereux du soleil sur la terre[37]

Selon le Groupe d’experts des Nations unies sur l’évolution du climat, la planète est actuellement en passe de se réchauffer de 2,5 degrés Celsius d’ici la fin du siècle, soit 1 degré Celsius de plus que le seuil que la communauté scientifique considère comme sûr pour éviter des conséquences catastrophiques^[38] . Pour contenir le réchauffement, l’économie mondiale devra réduire ses émissions de gaz à effet de serre de 45 % d’ici à 2030, ce qui signifie que de nombreuses technologies consommant des combustibles fossiles devront être progressivement abandonnées dans un laps de temps très court. Dans ce contexte, la recherche de sources d’énergie alternatives fiables devient impérative et les scientifiques prédisent que l’énergie solaire dominera le paysage énergétique de l’avenir.

Il n’y a pas de difficultés scientifiques à résoudre dans le processus d' »extraction » de l’énergie spatiale ; les fondements théoriques ont été élaborés et la physique des processus a été démontrée. L’expérience MAPLE a montré que le transfert d’énergie à distance est possible à la fois dans l’espace et depuis l’orbite vers la Terre. La question concerne plutôt l’échelle du transfert d’énergie, qui est directement liée au niveau de préparation technologique de l’industrie réceptrice^[39] .

En outre, l’énergie spatiale nécessite un investissement financier considérable : le projet de l’Institut de technologie de Californie a coûté plus de 112 millions de dollars^[40] . Les coûts énergétiques mondiaux s’élevant à des milliers de milliards d’euros, on estime que le premier satellite solaire d’un gigawatt coûtera environ 20 milliards d’euros, ce qui est comparable à la construction d’une nouvelle centrale nucléaire. Mais grâce à la production de masse et aux économies d’échelle, les satellites suivants pourraient réduire considérablement les coûts de construction et d’exploitation. Par conséquent, le coût de la production d’un niveau de base d’électricité à partir de satellites serait plus de la moitié de celui des centrales nucléaires et à peu près le même que celui des grandes centrales solaires au sol^[41] . Mais dans le contexte de l’énergie spatiale, il s’agit d’un investissement dans l’avenir sans alternative satisfaisante.

Compte tenu de l’énorme capacité énergétique de l’énergie solaire, comparable à celle des centrales nucléaires, outre la question de la collecte et de la transmission de l’énergie, le problème du stockage de l’énergie n’est toujours pas résolu. Dans ce contexte, la question qui se pose est la suivante : qu’attendons-nous de l’énergie cosmique à l’avenir : une alternative de secours ou la principale source d’énergie de notre planète ?

Pour l’instant, une mission visant à extraire de l’énergie de l’espace a pour noble objectif de fournir de l’énergie à des régions éloignées et inaccessibles, où la connexion aux réseaux énergétiques traditionnels peut être difficile, voire impossible. Cela peut être particulièrement utile pour les pays en développement et les régions isolées, ainsi que pour les zones sujettes à la destruction. L’espace est pour tout le monde, le soleil est pour tout le monde, mais dans l’avenir du développement de l’énergie spatiale, la question de la réglementation juridique et de la distribution de cette ressource, ainsi que la question de la sécurité, risquent de se poser avec acuité.

Bien que la transition vers les énergies renouvelables soit cruciale pour l’avenir du monde et que le concept de l’énergie solaire spatiale soit très excitant et prometteur, il est important de garder un scepticisme sain à son égard. Comme pour toutes les avancées scientifiques, le véritable potentiel de cette technologie ne sera révélé qu’au fur et à mesure des développements et des essais^[42] . Quoi qu’il en soit, la technologie démontrée par l’équipe du California Institute of Technology représente une étape importante et ouvre la voie à des systèmes spatiaux plus avancés. Et nous verrons bien!

^[1] https://trends.rbc.ru/trends/green/609e76449a7947f4755ac9dc

^[2] https://www.un.org/en/climatechange/raising-ambition/renewable-energy

^[3] https://ourworldindata.org/grapher/global-primary-energy?time=earliest..latest

^[4] https://www.theguardian.com/science/2022/oct/09/beam-me-down-can-solar-power-from-space-help-solve-our-energy-needs

^[5] https://www.caltech.edu/about/news/in-a-first-caltechs-space-solar-power-demonstrator-wirelessly-transmits-power-in-space

^[6] https://www.intelligentliving.co/space-based-solar-energy-caltechs-sspd-1-successfully-demonstrates-wireless-power-transmission/

^[7] https://www.science.org/content/article/satellite-beams-solar-power-down-earth-first-kind-demonstration

^[8] https://www.intelligentliving.co/space-based-solar-energy-caltechs-sspd-1-successfully-demonstrates-wireless-power-transmission/

^[9] https://knowridge.com/2023/01/caltech-will-launch-space-solar-power-technology-demo-into-orbit/

^[10] https://24tv.ua/tech/ru/osushhestvlena-pervaja-uspeshnaja-peredacha-solnechnoj-jenergii-iz-kosmosa-na-zemlju-tehno_n2328064

^[11] https://www.pasadenastarnews.com/2023/06/07/caltech-researchers-show-power-can-be-wirelessly-transmitted-in-space-the-implications-are-huge/

^[12] https://www.science.org/content/article/satellite-beams-solar-power-down-earth-first-kind-demonstration