Tweet

L’énergie solaire est la forme d’énergie renouvelable qui connaît la croissance la plus rapide et représente actuellement 3,6 % de la production mondiale d’électricité. Elle est donc la troisième source d’énergie renouvelable sur le marché, suivie de l’énergie hydroélectrique et de l’énergie éolienne.

Ces trois méthodes devraient connaître une croissance exponentielle au cours des prochaines décennies, pour atteindre 40 % en 2035 et 45 % en 2050. Au total, les énergies renouvelables devraient représenter 90 % du marché de l’énergie au milieu du siècle, l’énergie solaire en représentant environ la moitié.

Cependant, plusieurs défis et problèmes techniques doivent être surmontés pour que cette transition puisse avoir lieu.

Le principal facteur limitant de l’énergie solaire est l’intermittence, c’est-à-dire qu’elle ne peut produire de l’énergie que lorsque la lumière du soleil est suffisante. Pour y remédier, les scientifiques ont consacré des décennies à la recherche sur l’énergie solaire basée dans l’espace (SBSP), où des satellites en orbite collecteraient de l’énergie 24 heures sur 24, 365 jours par an, sans interruption.

Pour développer cette technologie, les chercheurs du Space Solar Power Project (SSPP) du Caltech ont récemment réalisé le premier transfert d’énergie sans fil réussi à l’aide du Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment (MAPLE).

MAPLE a été développé par une équipe du Caltech dirigée par Ali Hajimiri, professeur Bren d’ingénierie électrique et d’ingénierie médicale et codirecteur du SSPP. MAPLE est l’une des trois technologies clés testées par le Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1).

Cette plateforme est constituée d’un réseau d’émetteurs de micro-ondes souples et légers, contrôlés par des puces électroniques personnalisées. Le démonstrateur a été construit à l’aide de technologies au silicium à faible coût, conçues pour capter l’énergie solaire et la transmettre à des stations de réception souhaitées dans le monde entier.

Le SSPP a vu le jour en 2011 lorsque Donald Bren, membre à vie du conseil d’administration de Caltech, a contacté Jean-Lou Chameau, alors président de Caltech, pour discuter de la création d’un projet de recherche SBSP.

Bren et son épouse (également membre du conseil d’administration de Caltech) ont accepté de donner un total de 100 millions de dollars pour financer le projet, tandis que la Northrop Grumman Corporation a fourni 12,5 millions de dollars supplémentaires. Le SSPD-1 a été lancé le 3 janvier à bord d’un Falcon 9 de SpaceX dans le cadre d’un programme de covoiturage et a été déployé par un vaisseau spatial Vigoride (fourni par la société aérospatiale Momentus).

Pour que le SBSP soit réalisable, les satellites doivent être légers afin de pouvoir être lancés de manière rentable et flexibles afin de pouvoir s’insérer dans des carénages de charge utile (similaires au télescope spatial James Webb (JWST)).

Harry Atwater, titulaire de la chaire Otis Booth Leadership de la division Ingénierie et sciences appliquées, professeur Howard Hughes de physique appliquée et de science des matériaux, et directeur de la Liquid Sunlight Alliance, est l’un des principaux chercheurs du projet. Comme il l’a expliqué dans un communiqué de presse de Caltech :

« La démonstration du transfert d’énergie sans fil dans l’espace à l’aide de structures légères est une étape importante vers l’énergie solaire spatiale et un large accès à celle-ci au niveau mondial. Des panneaux solaires sont déjà utilisés dans l’espace pour alimenter la Station spatiale internationale, par exemple, mais pour lancer et déployer des réseaux suffisamment importants pour fournir de l’énergie à la Terre, SSPP doit concevoir et créer des systèmes de transfert d’énergie solaire ultra-légers, bon marché et flexibles ».

Chaque unité SSPP pèse environ 50 kg, ce qui est comparable aux microsatellites qui pèsent généralement entre 10 et 100 kg. Chaque unité se plie en paquets d’environ 1 m3 (35 ft3) de volume, puis se déploie en un carré plat d’environ 50 m (164 ft) de diamètre, avec des cellules solaires d’un côté et des transmetteurs d’énergie sans fil de l’autre.

Les composants de SPPD-1 ne sont pas scellés, ce qui signifie qu’ils sont exposés aux variations de température extrêmes de l’espace. Outre la démonstration que les émetteurs d’énergie peuvent survivre à un lancement dans l’espace, l’expérience a fourni un retour d’information utile aux ingénieurs du SSPP.

« Les expériences que nous avons menées jusqu’à présent nous ont confirmé que MAPLE peut transmettre de l’énergie avec succès à des récepteurs dans l’espace », a déclaré M. Hajimiri.

« Nous avons également pu programmer le réseau pour qu’il dirige son énergie vers la Terre, ce que nous avons détecté ici au Caltech. Nous l’avions bien sûr testé sur Terre, mais nous savons maintenant qu’il peut survivre au voyage dans l’espace et y fonctionner.

Le démonstrateur ne comporte aucune pièce mobile et s’appuie sur les interférences constructives et destructives entre les antennes de transmission pour modifier la focalisation et la direction de l’énergie diffusée. Ces antennes sont regroupées par 16, chacune étant pilotée par une puce de circuit intégré flexible fabriquée sur mesure.

Elles s’appuient également sur des éléments précis de contrôle de la synchronisation et sur l’addition cohérente d’ondes électromagnétiques pour s’assurer que l’énergie diffusée atteint la cible visée. Deux réseaux de récepteurs sont placés à environ 30 cm des antennes de transmission qui convertissent l’énergie solaire en courant continu.

Ce dernier est utilisé pour alimenter une paire de lampes LED, démontrant ainsi la séquence complète de la transmission d’énergie sans fil. MAPLE l’a démontré avec succès en allumant chaque LED individuellement et en passant de l’une à l’autre.

MAPLE comprend également une petite fenêtre à travers laquelle le réseau peut envoyer de l’énergie, qui a été détectée par un récepteur du laboratoire d’ingénierie Gordon et Betty Moore de Caltech. Ce signal a été reçu à l’heure et à la fréquence attendues, avec le décalage de fréquence prévu en fonction de son orbite.

« À notre connaissance, personne n’a jamais démontré le transfert d’énergie sans fil dans l’espace, même avec des structures rigides coûteuses », a déclaré M. Hajimiri. « Nous le faisons avec des structures légères et flexibles et avec nos propres circuits intégrés. C’est une première.

L’équipe évalue à présent les performances des différents éléments du système en testant les schémas d’interférence de groupes plus petits et en mesurant la différence entre les combinaisons. Ce processus pourrait prendre jusqu’à six mois, ce qui laisse à l’équipe suffisamment de temps pour détecter les irrégularités et élaborer des solutions pour la prochaine génération de satellites solaires.

Outre MAPLE, le SSPD-1 transporte deux autres expériences principales. Il s’agit de DOLCE (Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment), une structure de 1,8 x 1,8 mètre conçue pour déployer de petits engins spatiaux modulaires, et d’ALBA, une série de 32 types différents de cellules photovoltaïques visant à tester celles qui sont les plus efficaces dans l’espace.

Les essais ALBA sont en cours, tandis que DOLCE n’a pas encore été déployé, et les résultats de ces expériences sont attendus dans les mois à venir. En attendant, les résultats de l’expérience MAPLE sont très encourageants et démontrent que les principales technologies SBSP sont réalisables. a déclaré M. Hajimiri :

« De la même manière que l’internet a démocratisé l’accès à l’information, nous espérons que le transfert d’énergie sans fil démocratisera l’accès à l’énergie. Aucune infrastructure de transmission d’énergie ne sera nécessaire sur le terrain pour recevoir cette énergie. Cela signifie que nous pouvons envoyer de l’énergie aux régions éloignées et aux zones dévastées par la guerre ou les catastrophes naturelles ».

Le SBSP a le potentiel de produire huit fois plus d’énergie que les panneaux solaires situés à la surface de la Terre. Lorsque le projet sera entièrement réalisé, Caltech espère déployer une constellation d’engins spatiaux modulaires qui collecteront l’énergie solaire, la transformeront en électricité et la convertiront en micro-ondes pouvant être transmises sans fil partout dans le monde.

En plus de contribuer à la transition vers une énergie propre et renouvelable, ce projet a également le potentiel d’élargir l’accès aux communautés mal desservies. Thomas F. Rosenbaum, président de Caltech, a déclaré

« La transition vers les énergies renouvelables, essentielle pour l’avenir du monde, est aujourd’hui limitée par les problèmes de stockage et de transmission de l’énergie. La transmission de l’énergie solaire depuis l’espace est une solution élégante qui a fait un pas de plus vers sa réalisation grâce à la générosité et à la clairvoyance des Brens. Donald Bren a relevé un formidable défi technique qui promet des retombées remarquables pour l’humanité : un monde alimenté par une énergie renouvelable ininterrompue ».

Adaptation Terra Projects

Source : https://www.sciencealert.com/

(138)