L'énergie solaire spatiale : une source d'énergie d'avenir à l'horizon ?

Fonctionnement de l'énergie solaire spatiale

L'idée fondamentale derrière l'ESS implique trois segments principaux :

1. Segment spatial (satellite de puissance solaire - SPS) : D'immenses panneaux solaires (photovoltaïques), potentiellement étendus sur plusieurs kilomètres carrés, sont placés en orbite, généralement en orbite géostationnaire (GEO) à environ 36 000 km au-dessus de la Terre. En GEO, le satellite reste dans une position fixe par rapport à une station au sol et reçoit la lumière du soleil plus de 99 % du temps, sans être affecté par l'atmosphère terrestre, les conditions météorologiques ou le cycle jour-nuit. L'énergie solaire collectée (qui est également plus intense qu'à la surface de la Terre) est convertie de l'électricité en courant continu (CC) en ondes radio à haute fréquence (micro-ondes) ou en faisceaux laser.
2. Transmission d'énergie sans fil : L'énergie convertie est envoyée vers la Terre à l'aide d'une grande antenne émettrice sur le satellite (potentiellement de plusieurs kilomètres de diamètre pour les micro-ondes, nécessitant un contrôle de phase précis) ou d'un émetteur laser.
   • Micro-ondes : C'est la méthode la plus étudiée. Les micro-ondes peuvent pénétrer efficacement l'atmosphère terrestre, quelles que soient la couverture nuageuse ou les conditions météorologiques. Cependant, la physique dicte que de grandes antennes (à la fois émettrices et réceptrices) sont nécessaires pour maintenir un faisceau focalisé et maintenir la densité d'énergie faible et sûre.
   • Lasers : Les faisceaux laser permettent d'utiliser des antennes émettrices et réceptrices beaucoup plus petites, mais sont considérablement atténués par les nuages, la pluie et l'absorption atmosphérique. Les considérations de sécurité du faisceau sont également essentielles.
3. Segment terrestre (station de réception) : Une station au sol dédiée reçoit l'énergie transmise. Pour la transmission par micro-ondes, cela implique une grande antenne de réception appelée « rectenne » (antenne de rectification). Les rectennes sont des réseaux d'antennes dipôles avec des diodes qui convertissent directement l'énergie micro-onde entrante en électricité CC avec un rendement élevé. Bien que les rectennes puissent couvrir de grandes surfaces (plusieurs kilomètres carrés), le terrain en dessous pourrait potentiellement être utilisé à d'autres fins, comme l'agriculture, car l'intensité des micro-ondes est conçue pour être faible. L'énergie CC est ensuite convertie en courant alternatif (CA) et injectée dans le réseau électrique terrestre.

Avantages de l'ESS

• Énergie de base continue : Contrairement à l'énergie solaire ou éolienne terrestre, l'ESS en GEO peut fournir de l'énergie 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, agissant comme une source d'énergie de base, réduisant considérablement le besoin de stockage d'énergie à grande échelle.
• Collecte d'énergie plus élevée : Les panneaux solaires dans l'espace reçoivent une lumière solaire plus intense (~1360 W/m²) sans filtrage atmosphérique ni interruption nocturne.
• Portée mondiale : L'énergie peut théoriquement être envoyée vers des rectennes situées partout sur Terre, y compris dans des régions éloignées ou pauvres en énergie, ce qui pourrait éviter le besoin de vastes lignes de transport d'énergie à longue distance au sol.
• Propre et renouvelable : L'ESS exploite l'énergie solaire sans émettre de gaz à effet de serre pendant son fonctionnement, contribuant de manière significative aux efforts de décarbonisation.
• Empreinte foncière réduite (potentiellement) : Bien que les rectennes soient grandes, l'utilisation totale des terres par unité d'énergie fournie pourrait être avantageusement comparée à l'empreinte tentaculaire des fermes d'énergie renouvelable terrestres équivalentes combinées à leur stockage d'énergie requis.

Progrès technologiques et démonstrations

Bien que l'ESS à grande échelle reste futuriste, des progrès significatifs ont été réalisés dans la démonstration des technologies clés :

• Expérience MAPLE de Caltech (2023) : Réalisation marquante, le Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment (qui fait partie du Space Solar Power Demonstrator - SSPD-1) a démontré avec succès la transmission d'énergie sans fil entre des composants dans l'espace et a renvoyé de l'énergie détectable vers un récepteur sur le campus de Caltech en Californie. Il s'agissait d'une preuve de concept cruciale pour le système intégré.
• Recherche sur la transmission d'énergie sans fil : Diverses entités, notamment le US Naval Research Laboratory (NRL), ont mené des expériences sur la transmission d'énergie par micro-ondes et par laser sur distance, améliorant l'efficacité des composants et les techniques de contrôle du faisceau.
• Intérêt international : Plusieurs nations et agences recherchent ou planifient activement des initiatives ESS, notamment la Chine (avec une feuille de route ambitieuse), le Japon (JAXA, un chercheur de longue date), le Royaume-Uni (Space Energy Initiative) et l'Agence spatiale européenne (programme SOLARIS de l'ESA).

Défis et considérations économiques

Malgré les progrès, des défis redoutables subsistent :

• Coûts de lancement : La masse considérable de matériaux nécessaires pour un seul SPS à l'échelle des services publics (des dizaines de milliers de tonnes) fait des coûts de lancement le principal obstacle économique. L'avènement de fusées super-lourdes entièrement réutilisables (comme Starship de SpaceX) est considéré comme essentiel pour la viabilité de l'ESS.
• Efficacité des composants et du système : Améliorer l'efficacité de bout en bout – de la capture de la lumière solaire (efficacité PV, résistance à la dégradation), de la conversion CC-RF/laser, de la précision de la transmission et de la conversion RF-CC de la rectenne – est essentiel pour la faisabilité économique.
• Assemblage et maintenance dans l'espace : La construction et la maintenance de structures de plusieurs kilomètres dans l'environnement spatial hostile (rayonnement, débris, températures extrêmes) nécessitent une robotique avancée et des systèmes autonomes.
• Sécurité et contrôle du faisceau : S'assurer que le faisceau de puissance reste précisément ciblé et fonctionne à des niveaux d'énergie sûrs (faible densité de puissance au bord de la rectenne et au-delà) est primordial pour l'acceptation du public et l'approbation réglementaire. Des mécanismes de sécurité intégrés sont essentiels.
• Atténuation des débris spatiaux : L'ajout de structures massives en orbite augmente les risques de collision, ce qui nécessite une conception soignée et potentiellement des considérations actives en matière d'élimination des débris.
• Attribution de fréquences : L'obtention de bandes de fréquences internationales dédiées à la transmission de puissance par micro-ondes est nécessaire pour éviter les interférences avec les systèmes de communication par satellite et radar existants.

Perspectives d'avenir

L'ESS a le potentiel transformateur de devenir une composante importante de la future infrastructure énergétique mondiale, fournissant une énergie propre et continue à grande échelle. Cependant, surmonter les obstacles techniques et économiques importants nécessitera un investissement soutenu dans la recherche et le développement, des réductions drastiques des coûts de lancement et une collaboration internationale. Bien que des usines pilotes initiales puissent émerger au cours des prochaines décennies, l'ESS à l'échelle des services publics est probablement encore à de nombreuses années d'un déploiement généralisé. Néanmoins, le rythme accéléré du développement de la technologie spatiale suggère que ce qui était autrefois de la science-fiction se transforme progressivement en possibilité d'ingénierie.