Espace

À la fin du mois dernier à Munich, les ingénieurs de la société aérospatiale européenne Airbus ont montré ce que pourrait être l'avenir de l'énergie propre. Ils ont collecté la lumière du soleil avec des panneaux solaires, l'ont transformée en micro-ondes et ont transmis l'énergie à travers un hangar d'avions, où elle a été transformée en électricité qui, entre autres, a illuminé une maquette de ville. La démo n'a fourni que 2 kilowatts sur 36 mètres, mais elle a soulevé une question sérieuse : est-il temps de ressusciter un système longtemps qualifié de science-fiction et de lancer des satellites géants pour collecter l'énergie solaire dans l'espace ? Dans une orbite haute, libérée des nuages ​​et de la nuit, ils pourraient produire de l'électricité 24 heures sur 24 et la transmettre à la Terre.

"Ce n'est pas une nouvelle science, c'est un problème d'ingénierie", déclare Jean-Dominique Coste, ingénieur chez Airbus. "Mais cela n'a jamais été fait à [grande] échelle."

Le besoin urgent d'énergie verte, un accès moins cher à l'espace et les améliorations technologiques pourraient enfin changer cela, pensent les partisans de l'énergie solaire spatiale. "Une fois que quelqu'un aura fait l'investissement commercial, il fleurira. Cela pourrait représenter une industrie d'un billion de dollars", déclare l'ancien chercheur de la NASA John Mankins, qui a évalué l'énergie solaire spatiale pour l'agence il y a dix ans.

Des investissements majeurs sont probablement loin dans l'avenir, et une myriade de questions subsistent, notamment celle de savoir si le transfert de gigawatts d'électricité vers la planète peut être fait efficacement - et sans faire frire les oiseaux, sinon les gens. Mais l'idée passe des documents conceptuels à un nombre croissant de tests au sol et dans l'espace. L'Agence spatiale européenne (ESA) - qui a parrainé la démonstration de Munich - proposera le mois prochain à ses États membres un programme d'expériences au sol pour évaluer la viabilité du système. Le gouvernement britannique a offert cette année jusqu'à 6 millions de livres sterling de subventions pour tester les technologies. Les agences chinoises, japonaises, sud-coréennes et américaines ont toutes de petits efforts en cours. "Le ton et la teneur de toute la conversation ont changé", déclare l'analyste politique de la NASA Nikolai Joseph, auteur d'une évaluation que la NASA prévoit de publier dans les prochaines semaines. Ce qui semblait autrefois impossible, selon l'analyste de la politique spatiale Karen Jones d'Aerospace Corporation, peut maintenant être une question de "tout rassembler et de le faire fonctionner".

La NASA a d'abord étudié le concept d'énergie solaire spatiale pendant la crise du carburant au milieu des années 1970. Mais une mission de démonstration spatiale proposée - avec une technologie des années 70 embarquée dans la navette spatiale et assemblée par des astronautes - aurait coûté environ 1 000 milliards de dollars. L'idée a été abandonnée et, selon Mankins, reste un sujet tabou pour beaucoup à l'agence.

Aujourd'hui, la technologie de l'énergie spatiale et solaire a changé au point d'être méconnaissable. L'efficacité des cellules solaires photovoltaïques (PV) a augmenté de 25 % au cours de la dernière décennie, dit Jones, tandis que les coûts ont chuté. Les émetteurs et récepteurs hyperfréquences sont une technologie bien développée dans l'industrie des télécommunications. Les robots développés pour réparer et ravitailler les satellites en orbite pourraient être utilisés pour construire des panneaux solaires géants.

Mais le plus gros coup de pouce pour l'idée est venu de la baisse des coûts de lancement. Un satellite d'énergie solaire suffisamment grand pour remplacer une centrale nucléaire ou au charbon typique devra faire des kilomètres de diamètre, exigeant des centaines de lancements. "Cela nécessiterait un chantier de construction à grande échelle en orbite", explique le scientifique spatial de l'ESA Sanjay Vijendran.

La société spatiale privée SpaceX a rendu la notion moins farfelue. Une fusée SpaceX Falcon 9 transporte une cargaison à environ 2 600 dollars le kilogramme, soit moins de 5 % de ce qu'elle coûte sur la navette spatiale, et la société promet des tarifs de seulement 10 dollars le kilogramme sur son gigantesque Starship, dont le premier lancement est prévu cette année. "Cela change l'équation", dit Jones. "L'économie est tout."

De même, la production de masse réduit le coût du matériel spatial. Les satellites sont généralement des pièces uniques construites avec des composants spatiaux coûteux. Le rover Perseverance de la NASA sur Mars, par exemple, a coûté 2 millions de dollars par kilogramme. En revanche, SpaceX peut produire ses satellites de communication Starlink pour moins de 1 000 dollars le kilogramme. Cette approche pourrait fonctionner pour des structures spatiales géantes composées d'un grand nombre de composants identiques à faible coût, a longtemps soutenu Mankins, maintenant avec le cabinet de conseil Artemis Innovation Management Solutions. Combinez les lancements à faible coût et cette "hypermodularité", dit-il, et "soudain, l'économie de l'énergie solaire spatiale devient évidente".

Une meilleure ingénierie pourrait rendre ces économies plus favorables. Coste affirme que la démonstration d'Airbus à Munich était globalement efficace de 5 %, en comparant l'apport d'énergie solaire à la production d'électricité. Les panneaux solaires au sol font mieux, mais seulement lorsque le soleil brille. Si l'énergie solaire spatiale peut atteindre une efficacité de 20%, des études récentes indiquent qu'elle pourrait concurrencer les sources d'énergie existantes sur le prix.

Des composants plus légers amélioreront également le calcul des coûts. Des "panneaux sandwich", des appareils de la taille d'une boîte à pizza avec des cellules photovoltaïques d'un côté, de l'électronique au milieu et un émetteur micro-ondes de l'autre, pourraient aider. Assemblez des milliers d'entre eux comme un sol carrelé et ils forment la base d'un satellite solaire spatial sans beaucoup de câblage lourd pour déplacer l'alimentation. Les chercheurs testent des prototypes au sol depuis des années, mais en 2020, une équipe du US Naval Research Laboratory (NRL) l'a embarqué à bord de l'avion spatial expérimental X-37B de l'Air Force.

"Il est toujours en orbite, produisant des données tout le temps", explique le chef de projet Paul Jaffe de NRL. Le panneau est efficace à 8% pour convertir l'énergie solaire en micro-ondes mais ne les envoie pas sur Terre. L'année prochaine, cependant, l'Air Force prévoit de tester un panneau sandwich qui réduira son énergie. Et une équipe du California Institute of Technology lancera son panneau prototype en décembre avec SpaceX.

L'inconvénient des panneaux sandwich est que le côté micro-ondes doit toujours faire face à la Terre. Ainsi, lorsque le satellite orbite, le côté PV s'éloigne parfois du Soleil. Pour maintenir une alimentation 24 heures sur 24, un satellite aura besoin de miroirs pour garder ce côté éclairé, avec l'avantage supplémentaire que les miroirs peuvent également concentrer la lumière sur le PV. Une étude de la NASA réalisée en 2012 par Mankins a proposé une conception dans laquelle une structure en forme de bol avec des milliers de miroirs à couche mince orientables individuellement dirige la lumière sur le générateur photovoltaïque.

Ian Cash de l'International Electric Company du Royaume-Uni a développé une approche différente. Son satellite proposé utilise de grands miroirs fixes inclinés pour dévier la lumière sur un réseau PV et micro-ondes tandis que toute la structure tourne pour garder les miroirs pointés vers le soleil (voir graphique ci-dessus). L'énergie des cellules PV est convertie en micro-ondes et alimentée par 1 milliard de petites antennes perpendiculaires, qui agissent ensemble comme un "réseau en phase", orientant électroniquement le faisceau vers la Terre quelle que soit l'orientation du satellite. Cette conception, selon Cash, offre le plus de puissance pour sa masse, ce qui en fait "la plus compétitive sur le plan économique".

Si jamais une centrale électrique spatiale vole, l'énergie qu'elle génère devra parvenir au sol de manière efficace et sûre. Lors d'un récent test au sol, l'équipe de Jaffe à NRL a diffusé 1,6 kilowatts sur 1 kilomètre, et des équipes au Japon, en Chine et en Corée du Sud ont des efforts similaires. Mais les émetteurs et récepteurs actuels perdent la moitié de leur puissance d'entrée. Pour l'énergie solaire spatiale, l'énergie rayonnante a besoin d'une efficacité de 75%, dit Vijendran, "idéalement 90%".

La sécurité du rayonnement de gigawatts dans l'atmosphère doit également être testée. La plupart des conceptions visent à produire un faisceau de plusieurs kilomètres de large afin que tout vaisseau spatial, avion, personne ou oiseau qui s'y égare ne reçoive qu'une infime partie - espérons-le inoffensive - de la transmission de 2 gigawatts. Les antennes de réception ne coûtent pas cher à construire, mais elles "nécessitent beaucoup de terrain", dit Jones, même si elle dit que vous pouvez faire pousser des cultures sous elles ou les implanter au large.

Pour l'instant, c'est en Europe que les agences publiques prennent le plus au sérieux l'énergie solaire spatiale. "Il y a un engagement là-bas que vous ne voyez pas aux États-Unis", a déclaré Jones. L'année dernière, l'ESA a commandé deux études coûts/avantages du solaire spatial. Vijendran dit qu'ils ont conclu qu'il pourrait éventuellement égaler les coûts des énergies renouvelables terrestres. Mais même à un prix plus élevé, comparable à celui de l'énergie nucléaire, sa disponibilité 24 heures sur 24, contrairement à l'énergie solaire ou éolienne conventionnelle, la rendrait compétitive.

En novembre, l'ESA demandera aux États membres de financer une évaluation pour déterminer si les obstacles techniques peuvent être surmontés. Si les nouvelles sont bonnes, l'agence présentera des plans pour un effort complet en 2025. Armée de 15 à 20 milliards d'euros, l'ESA pourrait mettre en orbite une installation de démonstration à l'échelle du mégawatt d'ici 2030 et passer au gigawatt - l'équivalent d'une centrale électrique conventionnelle - d'ici 2040, dit Vijendran. "C'est comme un coup de lune."