C’est la semaine de l’espace sur Energy.gov. Nous explorons le système solaire (et au-delà) pour souligner les contributions du département de l’énergie et de nos laboratoires nationaux au programme spatial américain. Revenez chaque jour cette semaine pour découvrir de nouvelles vidéos, des graphiques interactifs, des frises chronologiques et bien d’autres choses encore – et soumettez vos questions pour notre discussion Twitter sur l’énergie noire, qui aura lieu ce vendredi 7 mars. Utilisez le hashtag #SpaceWeek pour rejoindre la conversation sur Twitter, Facebook, Google+ et Instagram.
On ne peut pas collecter l’énergie solaire la nuit. En tout cas, pas sur Terre. Puisque c’est la Semaine de l’espace, nous avons pensé qu’il serait approprié de nous pencher sur une idée prometteuse, mais futuriste, qui pourrait changer le visage de la production d’énergie solaire : L’énergie solaire basée dans l’espace (SBSP). Bien que le département de l’énergie ne mène pas de recherches actives sur la SBSP, nous espérons que vous prendrez un moment pour vous informer sur ce concept lointain.
L’idée de capturer l’énergie solaire dans l’espace pour l’utiliser comme énergie sur Terre existe depuis le début de l’ère spatiale. Ces dernières années, cependant, des scientifiques du monde entier — et plusieurs chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) du département de l’énergie — ont montré comment les récents développements technologiques pourraient faire de ce concept une réalité.
Sur terre, l’énergie solaire est fortement réduite par la nuit, la couverture nuageuse, l’atmosphère et la saisonnalité. Environ 30 % de tout le rayonnement solaire entrant ne parvient jamais au niveau du sol. Dans l’espace, le soleil brille toujours, l’inclinaison de la Terre n’empêche pas la collecte d’énergie et il n’y a pas d’atmosphère pour réduire l’intensité des rayons du soleil. Il est donc tentant d’installer des panneaux solaires dans l’espace. De plus, le SBSP peut être utilisé pour fournir une énergie fiable et propre aux habitants des communautés éloignées du monde entier, sans dépendre du réseau traditionnel vers une grande centrale électrique locale.
Comment cela fonctionne-t-il ?
Des satellites auto-assemblés sont lancés dans l’espace, ainsi que des réflecteurs et un émetteur d’énergie à micro-ondes ou à laser. Les réflecteurs ou miroirs gonflables s’étendent sur une vaste bande de l’espace, dirigeant le rayonnement solaire sur des panneaux solaires. Ces panneaux convertissent l’énergie solaire en micro-ondes ou en laser et transmettent une énergie ininterrompue vers la Terre. Sur Terre, des stations de réception d’énergie collectent le faisceau et l’ajoutent au réseau électrique.
Les deux conceptions les plus couramment discutées pour le SBSP sont un grand satellite de transmission de micro-ondes dans l’espace plus profond et un satellite de transmission laser plus petit et plus proche.
Satellites de transmission de micro-ondes
Les satellites de transmission de micro-ondes orbitent autour de la Terre en orbite géostationnaire (GEO), à environ 35 000 km au-dessus de la surface de la Terre. Les conceptions des satellites de transmission de micro-ondes sont massives, avec des réflecteurs solaires s’étendant jusqu’à 3 km et pesant plus de 80 000 tonnes métriques. Ils seraient capables de générer plusieurs gigawatts d’énergie, assez pour alimenter une grande ville américaine.
La grande longueur d’onde des micro-ondes nécessite une longue antenne et permet de diffuser l’énergie à travers l’atmosphère terrestre, qu’il pleuve ou qu’il fasse beau, à des niveaux sûrs de faible intensité à peine plus forts que le soleil de midi. Les oiseaux et les avions ne remarqueraient pas grand-chose en traversant leur trajectoire.
Le coût estimé du lancement, de l’assemblage et de l’exploitation d’un satellite GEO équipé de micro-ondes se chiffre en dizaines de milliards de dollars. Il faudrait probablement jusqu’à 40 lancements pour que tous les matériaux nécessaires atteignent l’espace. Sur Terre, la rectenne utilisée pour collecter le faisceau de micro-ondes aurait un diamètre compris entre 3 et 10 km, ce qui représente une énorme surface de terrain et un défi à l’achat et au développement.
Satellites de transmission par laser
Les satellites de transmission par laser, tels que décrits par nos amis du LLNL, orbitent en orbite basse (LEO) à environ 400 km au-dessus de la surface de la Terre. Pesant moins de 10 tonnes métriques, ce satellite représente une fraction du poids de son homologue à micro-ondes. Cette conception est également plus économique ; certains prédisent qu’un satellite SBSP équipé d’un laser coûterait près de 500 millions de dollars à lancer et à exploiter. Il serait possible de lancer l’ensemble du satellite auto-assemblé dans une seule fusée, ce qui réduirait considérablement le coût et le temps de production. De plus, en utilisant un émetteur laser, le faisceau ne fera qu’environ 2 mètres de diamètre, au lieu de plusieurs km, une réduction drastique et importante.
Pour rendre cela possible, le système de téléportation à énergie solaire du satellite utilise un laser alcalin pompé par diode. Démontré pour la première fois au LLNL en 2002 — et actuellement toujours en cours de développement là-bas — ce laser aurait la taille d’une table de cuisine, et serait suffisamment puissant pour téléporter de l’énergie vers la Terre avec un rendement extrêmement élevé, supérieur à 50 %.
Bien que ce satellite soit beaucoup plus léger, moins cher et plus facile à déployer que son homologue à micro-ondes, de sérieux défis subsistent. L’idée de lasers de forte puissance dans l’espace pourrait attirer les craintes de militarisation de l’espace. On pourrait remédier à ce défi en limitant la direction dans laquelle le système laser pourrait transmettre sa puissance.
À sa plus petite taille, correspond une capacité inférieure d’environ 1 à 10 mégawatts par satellite. Par conséquent, ce satellite serait mieux dans le cadre d’une flotte de satellites similaires, utilisés ensemble.
Vous pourriez dire que SBSP est un long chemin à parcourir ou une tarte dans le ciel (jeux de mots) – et vous auriez largement raison. Mais de nombreuses technologies existent déjà pour rendre cela réalisable, et beaucoup ne sont pas loin derrière. Bien que le département de l’énergie ne développe actuellement aucune technologie SBSP spécifique, bon nombre des technologies restantes nécessaires à la SBSP pourraient être développées indépendamment dans les années à venir. Et bien que nous ne connaissions pas l’avenir de l’énergie récoltée dans l’espace, nous sommes enthousiastes à l’idée de voir des idées comme celle-ci prendre leur envol (ok le dernier jeu de mots, je le promets).