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Cette capture d'écran prise au Centre de contrôle aérospatial de Pékin le 4 juillet 2021 montre une vue de la Terre du point de vue de la station spatiale Tianhe.
Cette capture d'écran prise au Centre de contrôle aérospatial de Pékin le 4 juillet 2021 montre une vue de la Terre du point de vue de la station spatiale Tianhe.
©Jin Liwang / Xinhua / AFP

Innovation

L’énergie venue de l’espace : la Chine avance de deux ans un programme poursuivi par la NASA sans succès depuis 20 ans

La Chine travaille au lancement d'une centrale solaire dans l'espace. Ce projet ambitieux doit permettre de rediriger l'énergie vers la Terre

Gilles Flamant

Gilles Flamant

Gilles Flamant est chercheur émérite du CNRS au laboratoire Procédés, matériaux, énergie solaire (PROMES).

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Atlantico : La Chine a avancé de deux ans son programme de lancement d'une centrale solaire dans l'espace qui ramènera de l'énergie sur Terre. Quel serait l’intérêt d’un tel projet ? Comment cela fonctionnerait-il théoriquement ?

Gilles Flamant : Ce projet présente plusieurs intérêts.

D’une part, en dehors de l’atmosphère, l’intensité solaire est plus élevée, d’environ 40%, du fait qu’au niveau de la surface terrestre l’atmosphère absorbe une partie du rayonnement solaire. Cela permet d’avoir plus de puissance par unité de surface exposée au soleil. C’est-à-dire que l’intensité qui arrive sur chaque élément PV est plus importante.

Le premier lancement du projet chinois permettra, grâce à un satellite d'essai en orbite, de tester la technologie sans fil utilisée pour transmettre l'énergie de la centrale électrique.

Ce satellite convertira l'énergie solaire en ondes électromagnétiques, micro-ondes ou lasers, puis dirigera les faisceaux d'énergie vers des récepteurs cibles.

D’autre part, un satellite géostationnaire peut voir le soleil en permanence sans alternance jour - nuit. Il s’agit d’un autre atout. C’est l’un des avantages de ce procédé.

La centrale solaire dans l’espace fonctionne grâce à des cellules photovoltaïques. Ces cellules doivent être modifiées par rapport à celles installées au sol car le spectre solaire n’est pas le même en dehors de l’atmosphère. Il faudra modifier la composition et la réponse spectrale, la façon dont la cellule transforme l’énergie solaire en électricité. Il va donc falloir modifier la composition des cellules photovoltaïques.

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Ces cellules vont être soumises à des rayonnements ultraviolets et cosmiques beaucoup plus violents qu’au sol. Des questions de résistance et de tenue dans le temps sont donc posées.

Par contre, le point crucial et le plus difficile à résoudre concerne la manière dont l’énergie électrique sera transférée vers la Terre (le transport de l’énergie sans fil). Des questions se posent sur la méthode qui sera utilisée, via des lasers et des micro-ondes. Il sera nécessaire de transporter d’importantes quantités d’énergie sur des faisceaux d’ondes électromagnétiques. La technologie est actuellement encore assez limitée pour le transfert de grandes puissance sans fil.

Si on imagine que le satellite est géostationnaire, la question de la réception va se poser avec le cycle de rotation de la Terre et du Soleil.

Les trois enjeux clés de ce projet sont la captation, le transport et la réception. Il s’agit d’une chaîne de conversion. Chaque étape soulève des questions scientifiques et techniques.

L’étape la plus simple est celle de la conversion de l’énergie solaire en électricité. Le transport est le point le plus délicat. Pour la réception, le faisceau qui transporte l’énergie va devoir être reconverti en électricité. Un récepteur va assurer cette fonction. Il va devoir également être mobile ou alors être localisé dans une zone de réception bien définie autour de la Terre. Chaque technologie de transport sans fil a son inconvénient associé pour la réception : la taille du récepteur pour les micro-ondes et l’atténuation atmosphérique pour les lasers.

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Ce type de transformation, très prometteur, soulève de nombreuses interrogations sur sa mise en œuvre. Les Chinois veulent tester le transport de l’énergie et de ce faisceau.

La question du rendement de conversion global du système est primordiale car Il y a des pertes à chaque étape et le rendement global est le produit du rendement associé à chacune de ces trois étapes (conversion, transport, réception) qui est toujours inférieur à 100%.

La première étape de conversion concerne le rendement de conversion de rayonnement solaire en électricité et de l’électricité en ondes électromagnétiques. Si vous transportez un faisceau d’ondes électromagnétiques (soit un laser, soit des micro-ondes) entre la centrale en orbite et la terre, vous avez encore un rendement associé. Vous avez aussi un rendement de réception des ondes électromagnétiques au sol et de transformation de ces ondes en électricité (étape inverse de la premièree). Il y a donc une cascade de transformationsoù à chaque niveau il y aura des pertes. Cet élément est aussi important à prendre en compte.

Quelles sont actuellement les contraintes notamment techniques à sa réalisation ?

Parmi les principales contraintes figurent la nécessité pour les cellules photovoltaïques de tenir à cette altitude avec une forte composante de rayonnements ultraviolets et de rayonnements cosmiques qui viennent du Soleil. Ces questions sont déjà étudiées depuis assez longtemps grâce au fait que les satellites sont alimentés par des cellules photovoltaïques. Il est donc important d’adapter les cellules à ces conditions extrêmes en termes de tenue dans le temps et de réponse spectrale.

Une autre contrainte concerne le problème du transport du faisceau d’énergie. Il faut aussi s’interroger sur le rendement global réel (voir ci-dessus). Toute la question est donc de savoir comment on le transporte et comment on le reçoit sur Terre.

Un projet énergétique similaire avait été proposé par la NASA il y a plus de vingt ans mais n'a jamais été développé, tandis que le gouvernement britannique a commandé des recherches indépendantes en faveur d'une version britannique en orbite d'ici 2035, pour un coût de 16 milliards de livres. Est-ce un terrain prometteur ?

A chaque étape de la conversion, du transport et de la réception, des verrous technologiques ne sont pas encore levés. Ce projet est néanmoins important car il contribue à lever les nombreux verrous. Par ailleurs, ce projet peut bénéficier d’avancées technologiques dans d’autres domaines.

Pour qu’une technologie soit intéressante il faut , qu’à chaque étape, une valeur seuil de rendement soit atteinte. Si l’on souhaite transmettre au sol 50 % de l’énergie qui a été captée au niveau de la station en orbite, il est possible de connaître le rendement nécessaire à atteindre pour chaque étape intermédiaire.

Ce projet comporte de nombreux défis scientifiques, techniques et technologiques. Ce concept est une idée assez ancienne et qui revient régulièrement. Un saut technologique a été réalisé dans l’une des étapes du procédé. Il faut maintenant mettre tout cela en action et en chaîne. L’énergie qui doit être transportée par un faisceau micro-onde ou laser, on doit s’interroger sur la manière la plus appropriée pour la recevoir sur Terre avant de procéder à l’étape cruciale de la reconversion en électricité. Chaque étape soulève de nouveaux défis technologiques à résoudre. Il faudra également produire des kilowattheures qui soit rentable économiquement. Enfin, un autre défi concerne la maintenance d’une telle installation dans l’espace, comment réparer les pannes ?

En conclusion, l'idée est donc de collecter l’énergie solaire abondante en orbite et de la transmettre sur Terre. Contrairement aux sources d'énergie renouvelables terrestres, les centrales solaires en orbite seraient capables de fournir de l'énergie jour et nuit sur Terre, à tout moment de l'année et quel que soit le temps. Mais pour atteindre ce système idéal, il reste de nombreuses questions pour lesquels nous n’avons à ce jour que des réponses partielles.

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