La transmission des signaux micro-ondes nécessite des gigantesques antennes aussi bien au départ qu’à la réception. © U.S. Naval Research Laboratory
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L'armée américaine teste avec succès un panneau solaire spatial pour envoyer de l'électricité sur Terre

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[EN VIDÉO] L'énergie solaire pourrait-elle être la principale source d'énergie ?  En 2014, la part du solaire photovoltaïque dans le mix électrique français ne dépassait pas les 1,3 % (chiffre France Territoire Solaire). Comment alors l'énergie solaire pourrait-elle devenir notre principale source d'énergie ? Marion Perrin, docteur en électrochimie, partage avec nous son point de vue sur la question. 

Cette vieille idée a été remise au goût du jour récemment à la faveur des progrès technologiques. Mais les défis restent nombreux avant de pouvoir profiter d'une électricité sans fil compétitive et disponible partout sur la planète.

C'est un vieux serpent de mer, imaginé dès les années 1920 par le scientifique russe Constantin Tsiolkovsky, qui vient enfin de prendre forme en février : l'U.S. Naval Research Laboratory a testé un panneau solaire destiné à transmettre de l'énergie solaire sur Terre depuis l'espace. Ce panneau, nommé Photovoltaic Radiofrequency Antenna Module (PRAM), a été lancé en mai 2020 à bord du drone d'essai orbital X-37B de l'armée de l'air. Le module de 30 x 30 cm convertit la lumière solaire en énergie micro-ondes pour la rediriger vers la Terre, où elle est captée par des antennes qui la reconvertissent en électricité.

Six à huit fois plus d’énergie qu’une centrale au sol à surface comparable

« Dans l'espace, le spectre lumineux contient plus de bleu [qui est normalement filtré par l’atmosphère], ce qui permet d'ajouter une autre couche aux cellules solaires pour en profiter, explique Paul Jaffe, codéveloppeur du projet. C'est l'une des raisons pour lesquelles la puissance par unité de surface d'un panneau solaire dans l'espace est supérieure à celle au sol ». L'autre avantage, c'est que la quantité d'énergie lumineuse n'est pas limitée par les nuages ou l’alternance jour-nuit. Selon le chercheur, interrogé par CNN, les dernières expériences montrant que le panneau est capable de produire environ 10 watts, de quoi alimenter une tablette tactile. Mais avec des panneaux beaucoup plus grands, on peut envisager d'en produire plusieurs gigawatts et ainsi alimenter une ville entière, assure l'ingénieur.

Le module PRAM de 30 x 30 cm est capable de produire 10 watts d’électricité. © U.S. Naval Research Laboratory

« L'avantage unique des satellites d'énergie solaire par rapport à toute autre source d'énergie est sa transmissibilité mondiale. Vous pouvez envoyer de l'électricité à Chicago et une fraction de seconde plus tard, si besoin est, l'envoyer à Londres ou à Brasilia. » La technique pourrait aussi s'appliquer lors des catastrophes naturelles lorsque l'infrastructure électrique est hors service.

Une centrale solaire de 25 fois la masse de l’ISS

L'une des difficultés est la température de fonctionnement du PRAM. « Au fur et à mesure qu'il se réchauffe, il est de moins en moins efficace », atteste Paul Jaffe. Aujourd'hui, le drone X-37B sur lequel est embarqué le module effectue des boucles de 90 minutes en orbite basse autour de la Terre durant lesquelles il passe la moitié de son temps dans l'obscurité, donc dans le froid. Mais en phase opérationnelle, les panneaux seraient placés en orbite géosynchrone, ce qui fait qu'ils seraient exposés la plus grande partie du temps au soleil.

Le X-37B est un drone spatial expérimental destiné à tester différentes technologies. © U.S. Naval Research Laboratory

Une autre difficulté concerne la transmission des micro-ondes vers la Terre. Les micro-ondes sont diffractées dans l'atmosphère, ce qui signifie que plus la longueur d'onde est grande, plus les antennes émettrices et réceptrices doivent aussi être grandes. Pour une antenne en orbite d'un kilomètre de diamètre, la surface au sol de l'antenne réceptrice devrait être de 10 kilomètres, d'après les calculs du physicien Marty Hoffert, cité par Science et Vie.

Reste enfin la question essentielle du prix, l'acheminement et le déploiement de panneaux solaires dans l'espace étant particulièrement coûteux. Or, une centrale de 5 GW pèserait environ 10.000 tonnes, soit 25 fois la masse de la Station spatiale internationale (ISS) ! Une des solutions serait d'assembler les panneaux directement dans l'espace à partir de milliers de modules envoyés par des nano-satellites, voire à les imprimer en 3D sur place.

Des projets qui refont surface

L'US Navy n'est pas la seule à s'intéresser aux centrales solaires spatiales. En 2015, l'agence spatiale japonaise Jaxa avait déjà réussi à transférer deux kilowatts d'électricité sous forme de micro-ondes sur une distance de 55 mètres. La Chine a également annoncé en 2019 vouloir construire une centrale solaire dans l'espace d'ici 2035. Ces projets parviendront-ils à être concurrentiels avec le solaire terrestre, dont le prix ne cesse de chuter ? Comment assurer la maintenance des panneaux solaires dans l'espace, qui risquent d'être endommagés par des micrométéorites ou les radiations ? Autant de questions qui risquent de nous faire attendre encore longtemps cette énergie à volonté.

Pour en savoir plus

Centrale solaire spatiale : un projet est-il vraiment en cours ?

Article de Jean-Luc Goudet publié le 16/04/2009

Une société américaine promet de réaliser dans quinze ans une centrale solaire en orbite capable d'envoyer l'énergie au sol sous forme de puissantes émissions de micro-ondes. Un accord est déjà conclu avec une compagnie californienne de distribution d'électricité.

Depuis des décennies, l'idée de capter l'énergie solaire dans l'espace plutôt que sur Terre revient comme une antienne. En soi, le principe est logique. Dans l'espace, il est possible de s'affranchir du rythme jour-nuit et les nuages ne viennent jamais assombrir le ciel. De plus, en théorie, on ne manque pas... d'espace. Rien n'empêche d'augmenter la surface des panneaux, à peu près autant que l'on veut, l'absence de gravité (et de voisins) facilitant le déploiement de vastes structures. Enfin, les militaires y voient un moyen d'expédier une généreuse quantité d'énergie sur un champ de bataille, pour semer la pagaille dans les matériels électroniques de l'adversaire ou bien pour alimenter les troupes.

Les difficultés sont tout aussi faciles à imaginer. L'assemblage dans l'espace exige un grand nombre de lancements de fusées. L'orbite géostationnaire, seule envisageable puisque les capteurs doivent pointer toujours le même endroit au sol, est déjà bien occupée et sa dimension est limitée, ce qui réduit à peu de chose l'argument de l'espace disponible (sauf à imaginer des capteurs qui n'enverraient pas leur énergie vers la Terre, ce qui est une toute autre histoire).

Un projet encore bien flou

La transmission vers le sol devra se faire avec un faisceau concentré de micro-ondes, ce qui occasionnera des dangers sérieux pour les satellites en orbites basses, ainsi que les avions et autres volatils évoluant dans l'atmosphère. Au passage, les pertes d'énergie seront assez conséquentes. La station au sol, faute d'un faisceau très concentré (à moins de penser à un laser), devra être de grande taille. Enfin, un tel engin spatial constituerait une arme redoutable si le faisceau venait à être dévié, volontairement ou non, sur une zone peuplée d'êtres vivants, humains ou non.

Pourtant, les projets de centrales solaires spatiales n'ont pas manqué aux Etats-Unis, où la Nasa et le Pentagone s'y intéressent depuis longtemps (voir les liens en bas de cet article), ainsi qu'en Russie et au Japon. L'affaire semble revenir outre-atlantique avec le projet de la compagnie d'électricité PG&E (Pacific Gas and Electric Company), simplement - et vaguement - rapporté sur son blog.

Cette société s'est approchée de Solaren, une très discrète entreprise californienne, créée en 2001 par des spécialistes du secteur spatial. Comme le confirme son PD-G Gary Spirnak dans un entretien publié par PG&E, Solaren espère mettre en orbite en 2016 une centrale capable de produire 200 mégawatts. PG&E vient de demander aux autorités de l'Etat de Californie (California Public Utilities Commission) la permission d'utiliser ce fournisseur d'un nouveau genre.

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