Pensez à ce que vous savez des sources d’énergie propres. Quel est le plus vert?
Les énergies hydroélectrique, géothermique, éolienne et solaire viennent probablement à l'esprit. Respectueux de l'environnement, ils ont tous des limites significatives sur la quantité d'énergie qu'ils peuvent produire et où ils peuvent être utilisés. En effet, malgré quelques avancées très intéressantes en matière d’énergie solaire, les panneaux solaires ne peuvent toujours générer de l’énergie que lorsque le soleil brille.
La solution est donc évidente. Allez où le soleil ne se couche jamais: dans l’espace.
Telle est la vision des scientifiques, des chercheurs et des entrepreneurs, tant aux États-Unis qu’au Japon, en Chine et en Europe. Bien que le concept soit utilisé au moins depuis les années 1970, il a été revu et abandonné à plusieurs reprises car il était extrêmement coûteux de rassembler toutes les pièces et de rassembler tous les éléments nécessaires. Ce n'est qu'avec l'avènement de très petits satellites de grande série et de fusées d'appoint réutilisables que certains commencent à s'intéresser de plus près à la réalisation de l'énergie solaire dans l'espace.
Il existe des dizaines d'idées sur la façon de construire un système de captage solaire spatial, mais l'essentiel est simple: lancez et assemblez de manière robotique plusieurs centaines ou milliers de modules de taille identique en orbite géosynchrone. Une partie comprend des miroirs pour réfléchir et concentrer la lumière du soleil sur des panneaux solaires qui convertissent l’énergie en électricité. Les convertisseurs transforment cette électricité en micro-ondes de faible intensité qui sont acheminées vers de grands récepteurs circulaires au sol. Ces antennes reconvertissent les micro-ondes en électricité, qui peut être injectée dans le réseau existant.
John Mankins, qui a passé 25 ans à la NASA et au Jet Propulsion Laboratory de Caltech, a reçu un financement de l'Institute of Advanced Concepts de la NASA en 2011 pour affiner son concept de centrale solaire spatiale. La technologie et l'ingénierie nécessaires pour transformer l'espace en réalité solaire existent déjà, insiste-t-il, mais comme pour toute nouvelle idée coûteuse, il s'agit d'une question de retour sur investissement et de gain de temps.
«Ce n'est pas comme la fusion - aucune nouvelle physique n'est impliquée», déclare Mankins, faisant référence à ITER, la collaboration de 35 pays pour la construction d'un réacteur à fusion en France. «Il n'y a pas de sauce secrète. Obtenir un financement pour développer les éléments et démontrer la nouvelle architecture requise pour ce faire constitue un obstacle financier. »
Mankins et d'autres estiment que le coût total du développement, de la construction, du lancement et de l'assemblage de tous les composants d'une centrale solaire spatiale serait de l'ordre de 4 à 5 milliards de dollars, soit une fraction du prix de 28 milliards du barrage chinois des Trois Gorges. Mankins estime qu’un modèle à l’échelle de travail avec des composants de taille normale pourrait être acheté pour 100 millions de dollars. En comparaison, la construction de la centrale nucléaire de Watts Bar, récemment achevée, de la Tennessee Valley Authority, a duré 43 ans, du début à la fin, et a coûté 4, 7 milliards de dollars.
De manière cruciale, ce que les consommateurs paieraient - le prix par kilowatt-heure - doit être dans la même fourchette que les sources d'énergie classiques produites avec le charbon, le gaz naturel et le nucléaire, dont le prix varie de 3 à 12 cents le kilowattheure. L'hydroélectricité peut être incroyablement bon marché, à moins d'un cent le kilowattheure, mais seulement si vous avez la chance de vivre dans une région dotée d'abondantes rivières à fort débit, comme certaines régions du Canada et du Wisconsin. La géothermie est également très économique: 3 cents le kilowattheure, mais vous devrez demander aux Islandais comment ils aiment leur facture d'électricité. Et les défenseurs de l'éolien ont annoncé l'année dernière que les coûts de cette ressource renouvelable avaient chuté à 2, 5 cents le kilowattheure.
Gary Spirnak, PDG de la société énergétique californienne Solaren, estime qu'il est absolument essentiel de placer le coût dans les bas chiffres à deux chiffres, voire même à un chiffre de centimes par kilowattheure, pour que l'espace solaire devienne un service public compétitif.
La société Spirnak est agréée comme fournisseur d’énergie solaire en Californie et a déjà passé des accords d’approvisionnement avec Pacific Gas and Electric, mais son modèle commercial repose entièrement sur la production d’énergie solaire. Solaren est en train de négocier de nouveaux accords avec un ou plusieurs services publics. La société possède des brevets aux États-Unis pour sa conception, ainsi qu’en Europe, en Russie, en Chine, au Japon et au Canada, et a obtenu un premier financement pour une démonstration en laboratoire de ses technologies de composants l’année prochaine. Spirnak espère convaincre les investisseurs de soutenir une usine pilote de 250 mégawatts d'ici la fin de la phase de développement et de test, peut-être d'ici cinq ans.
Deux structures essentielles sont nécessaires pour que l'espace solaire fonctionne. Premièrement, les amplificateurs de puissance à semi-conducteurs qui convertissent efficacement l’électricité de la lumière du soleil collectée en ondes radiofréquences, et les récepteurs au sol qui reconvertissent les ondes RF en électricité.
Paul Jaffe tient le module de conversion «étape» spatial solaire breveté du Laboratoire de recherches navales de recherche sur les records devant une chambre de test de vide thermique. (Paul Jaffe) 
Space Solar Prototype: Ce module de conversion de la lumière solaire aux micro-ondes pour l'espace solaire a été le premier à être testé dans des conditions proches de l'espace. La robotique spatiale serait utilisée pour assembler des milliers de personnes afin de créer l'émetteur d'un satellite solaire spatial. (Paul Jaffe) 
Les prototypes de modules de conversion solaire spatiale de NRL ont été testés dans cette installation d'essai de vide thermique et d'éclairage solaire simulé. (Paul Jaffe) Paul Jaffe, ingénieur au Naval Research Laboratory de Washington, DC, a travaillé sur deux prototypes du module de collecte, qu’il qualifie de «sandwich», car le capteur solaire, le convertisseur de puissance et l’émetteur RF sont soudés ensemble. carreau carré de deux pouces d'épaisseur. Le poids de chaque module individuel détermine finalement la tarification de l’électricité distribuée au sol; En termes de watts par kilogramme lancé, Jaffe indique que la conception de base des carreaux a été d'environ 6 watts par kilogramme.
En prenant en compte cette puissance, une durée de vie de 20 ans pour les centrales solaires, un coût de lancement de 2 500 dollars par kilo et des niveaux de coûts différents des composants eux-mêmes, Jaffe calcule que si la masse diminue et que la puissance augmente à 500 watts par kilo, équivaut à un coût de 3 cents par kilowatt-heure.
«Faire même des choses très simples pour réduire la masse nous amène dans la gamme des 100 watts par kilogramme, et 1 000 watts par kilogramme, ce n'est pas fou», dit-il. «Vous obtenez de très bons rendements avec la technologie solaire actuelle déjà disponible dans le commerce et nous emportons tous les jours ces convertisseurs RF très efficaces et légers dans nos poches."
Les convertisseurs RF sont la raison même du travail des téléphones portables - les téléphones sont essentiellement des talkies-walkies magnifiés dont les signaux sont aidés par un réseau de stations de relais de signaux. Les convertisseurs du téléphone convertissent les ondes radio en données que nous comprenons - audio - et vice versa. Cette technologie est au cœur des recherches sur le solaire spatial chez Caltech, dans le cadre d’une collaboration entre scientifiques et ingénieurs du pays et Northrop Grumman.
Selon Spirnak, les travaux de Solaren au cours des derniers mois ont été principalement axés sur la réduction du poids de leurs modules. Bien que les roquettes réutilisables réduisent encore plus le coût total de la production, Spirnak ne retient pas son souffle à court terme. Il envisage d'utiliser des véhicules de transport lourd conventionnels pour envoyer les composants de Solaren dans l'espace.
«Nous avons passé beaucoup de temps à prendre du poids sans pitié dans le système», explique Spirnak. «Nous pouvons regrouper des éléments volumineux individuels dans des lanceurs individuels, avec quelques exploits d’origami intéressants», bien que la mise en place du système dans son intégralité dans l’espace nécessite toujours de multiples lanceurs super lourds.
Jaffe dit que la question la plus fréquente qu'il se pose lorsqu'il parle de l'espace solaire n'est pas de savoir si cela peut ou doit être fait, mais à quel point cette énergie dégagée par l'espace est dangereuse. Ne va-t-il pas faire frire les oiseaux et les avions dans le ciel quand ils passent à travers le rayon?
«Si vous restez assis dehors pendant 15 minutes par un après-midi ensoleillé, vous ne vous brûlerez pas», explique-t-il. «Nos radios, télévisions et téléphones portables ne nous préparent pas, et ils ont tous les mêmes fréquences que celles proposées. Il existe déjà des limites de sécurité [sur les transmissions hyperfréquences] définies par l'IEEE [Institut d'ingénieurs électriciens et électroniciens]. Vous devez donc concevoir un système pour vous assurer que le courant est réparti sur une grande surface. Cela ne se transformera pas accidentellement en rayon de mort.
Pour obtenir les meilleurs rapports coût / poids, l'efficacité des économies d'échelle et une capacité de production électrique comparable à celle d'une centrale nucléaire moyenne (1 à 2 gigawatts), tout réseau de capteurs solaires dans l'espace devrait avoir un diamètre d'environ un kilomètre.
Les récepteurs de collecte installés au sol devraient donc être suffisamment grands: pour qu’une centrale solaire spatiale produise environ un gigawatt d’énergie, un capteur solaire d’un kilomètre parcourrait de l’énergie jusqu’à 3, 5 km de large. ) récepteur au sol. Cela nécessiterait une superficie d'environ 900 acres. Comparez cela avec l'usine de panneaux solaires Solar Star en Californie, actuellement la plus grande centrale solaire des États-Unis, qui s'étend sur 3 200 acres.
La transmission de puissance par radiofréquence présente un inconvénient majeur: les longueurs d’ondes «sûres» qui ne seront pas non plus réfractées par une chose aussi simple que la pluie sont déjà surpeuplées, bouchées par des transmissions radio régulières, ainsi que par des utilisations militaires, industrielles et par satellite.
Elon Musk, de Tesla, a déclaré que les économies d’énergie à échelle économique étaient impossibles à réaliser, en raison de la conversion et de la reconversion de l’énergie nécessaire.
Mais Jaffe espère que la vieille stratégie sur la fusion ne deviendra pas également valable pour l’espace solaire: «Cela fait 10 ans que nous sommes loin de chez nous», dit-il en riant.
Mankins souligne qu'avec une population mondiale estimée à 11, 3 milliards d'habitants d'ici la fin du siècle et que la quasi-totalité de celle-ci est représentée dans les pays en développement, l'espace solaire mérite un investissement important de la part des entités publiques et des partenaires privés. Il dit qu'une énergie propre abondante est nécessaire pour satisfaire les besoins humains fondamentaux, ainsi que pour résoudre le problème de la destruction de l'environnement si toute cette énergie provient de sources conventionnelles.
«Si le mélange de sources d'énergie ne change pas radicalement, nous ne pourrons jamais passer à la neutralité carbone», déclare Mankins. «Vous ne pouvez pas non plus dire à 800 millions de Chinois qu’ils doivent rester dans une pauvreté abjecte. Il est nécessaire non seulement de compenser l'utilisation actuelle de carbone, mais également de regarder comment nous allons compenser trois fois l'utilisation actuelle. Nous avons vraiment besoin de grandes solutions. "
