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Le solaire spatial : l’énergie à profusion

 

Dans une nouvelle publiée en 1941, l’écrivain de science-fiction Isaac Asimov fut le premier à imaginer une centrale solaire spatiale capable de produire de l’électricité et de la rediriger vers la Terre[1]. En 1968, Peter Glaser publie le premier article scientifique sur ce concept dans la revue américaine Science[2].

Plus de la moitié de l’énergie nous parvenant du soleil est perdue par absorption ou réflexion dans l’atmosphère terrestre. Dans l’espace sidéral cette déperdition n’existe pas. De plus, avec des capteurs solaires placés en orbite terrestre de façon telle qu’ils ne voient pas la nuit, il est possible de collecter le rayonnement solaire en permanence. Une centrale solaire est donc bien plus efficace dans l’espace que sur Terre.

Dans les années 1970, les scientifiques de la NASA démontrèrent qu’il était techniquement possible de construire une telle centrale dans l’espace pour produire de l’électricité et la transmettre par rayonnement, micro-onde ou laser, à une antenne réceptrice sur terre. A l’époque, un tel projet n’était cependant pas réaliste d’un point de vue économique et il finit par être abandonné. Depuis cinquante ans, la technique du photovoltaïque et celles de transfert d’énergie sans fil ont cependant fait de gros progrès. De même, comme nous le verrons plus loin, l’industrie spatiale a considérablement abaissé les coûts de lancement d’une station orbitale. Les recherches pour développer le solaire spatial ont donc repris activement aux USA, au Japon, en Russie, en Inde et en Chine.

En 2015, l’agence spatiale japonaise (JAXA) fait état de ses premiers essais réussis en laboratoire. Cette même année l’Institut de Technologie de Californie (Caltech) lance « l’initiative pour l’énergie solaire spatiale », un grand projet de recherche financé par le groupe Northrop Grumman et conduit par les professeurs Harry Atwater, Ali Hajimiri, et Sergio Pellegrino. En 2018, le Caltech annonce la réalisation d’un premier prototype intégrant la collecte de l’énergie solaire et sa transmission sans fil[3]. Le prototype se présente sous forme d’un module de base de 16,5 cm de long sur 10 cm de large et 1,2 cm d’épaisseur. Il comprend un système de miroirs optiques pour concentrer les rayons du soleil, un panneau photovoltaïque pour convertir l’énergie solaire en électricité et des circuits intégrés qui transforment l’énergie électrique produite en énergie de fréquence radio. Ce premier module de base était déjà incroyablement léger (1,5 kg/m2) mais les modules d’aujourd’hui sont encore plus légers (0,8 kg/m2 et il est possible de les mettre à plat pour réduire leur volume dans une sonde spatiale et ainsi minimiser les coûts de lancement. L’idée des chercheurs est de déployer dans l’espace 2500 de ces modules ultra légers pour former un tapis volant de 9 kilomètres carrés, capable de capter l’énergie du soleil 24h/24 pour la renvoyer sous forme d’ondes radio à la Terre où elles seront reconverties en énergie électrique.

L’énergie solaire spatiale pouvant être diffusée vers n’importe quel endroit sur terre, les scientifiques du Caltech pensent qu’il sera possible d’alimenter par la voie des airs d’innombrables stations au sol qui redistribueront l’énergie aux réseaux électriques locaux. Un peu comme les satellites de télécommunication peuvent transmettre l’Internet ou les appels téléphoniques à nos smartphones. Des antennes réceptrices pourraient être placées sur les toits des entreprises ou des particuliers pour capter les ondes envoyées par la centrale spatiale et les convertir en électricité pour les usages industriels ou domestiques. Mieux, il serait possible d’intégrer la réception dans des installations existantes, par exemple dans les panneaux solaires terrestres qui seraient ainsi opérationnels nuit et jour ou encore d’utiliser les clôtures filaires des exploitations agricoles comme antennes réceptrices.

Les États-Unis ne sont pas seuls dans la course au solaire spatial. La Chine, en particulier, est également très active dans ce domaine et elle utilise d’ailleurs les mêmes principes technologiques que les Américains. Selon le China Daily[4], un centre d’essais est en cours de construction à Chongqing pour tester les composants d’une station orbitale solaire qui pourrait être mise en orbite, à 36 000 kilomètres de la Terre, d’ici 2040. Le programme de mise au point à Chongqing prévoit, entre autre, d’utiliser 4 à 6 ballons-sondes placés à 1 000 mètres d’altitude pour capter l’énergie solaire dans de bonnes conditions et la convertir en ondes radioélectriques pour la renvoyer vers le sol.

L’essor de l’industrie spatiale prévu, comme nous le verrons plus loin, à partir des années 2030, devrait permettre la construction à grande échelle des centrales solaire orbitales d’ici la fin du siècle. Compte-tenu du rendement élevé de la conversion de l’énergie solaire dans l’espace et de sa disponibilité sans intermittence, les experts estiment que le prix du kWh spatial pourrait alors devenir compétitif et supplanter à terme toute autre forme d’énergie, qu’elle soit issue de sources renouvelables (éolien, géothermique, hydraulique, etc.) ou fossiles (pétrole, gaz, charbon).

Le solaire spatial apparaît donc comme la voie royale du futur énergétique des humains sur la planète Terre.

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[1] Isaac Asimov, Reason, Astounding Science Fiction (1941).
[2] P.E Glaser, Power from the Sun: Its Future, Science (1968).
[3] Sergio Pellegrino et al., A Lightweight Tile Structure Integrating Photovoltaic Conversion and RF Power Transfer for Space SolarPower Applications, American Institute of Aeronautics and Astronautics conference (Jan. 2018, Kissimmee, Florida).
[4] Zhao Lei, Scientists explore viability of space-based solar power station, China Daily (27 février 2019).

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