L’armée américaine teste un prototype de panneau solaire spatial

panneau solaire spatial
Vue d’artiste d'un système d'énergie solaire spatial. | US Naval Research Laboratory

Une équipe de scientifiques des forces armées américaines a testé avec succès un panneau solaire dans l’espace. À grande échelle, ce dispositif pourrait fournir de l’énergie à n’importe quel endroit sur Terre. L’engin, appelé Photovoltaic Radio-Frequency Antenna Module (PRAM), a été mis en place au mois de mai 2020 par un drone spatial conçu par le Pentagone.

L’énorme avantage de ce panneau solaire spatial est que les rayons du Soleil qu’il capte ne sont pas bloqués par l’atmosphère terrestre, il reçoit ainsi bien plus de lumière qu’il n’en aurait sur Terre. Jusqu’à présent, le prototype — pas plus gros qu’une boîte de pizza — a généré environ 10 watts, soit de quoi alimenter une tablette. C’est une première réussite pour les concepteurs du projet. Reste à accomplir l’étape suivante, à savoir réussir à transmettre cette énergie à la Terre.

Les technologies nécessaires à la transmission sont en cours de développement et les scientifiques espèrent réaliser les premiers tests dans les années à venir. Une source d’énergie comme celle-ci s’avérerait en effet très prometteuse : concrètement, un tel système pourrait permettre d’envoyer de l’énergie à des régions isolées ou en proie à des difficultés temporaires (suite à une catastrophe naturelle par exemple) en un claquement de doigts.

Une distribution d’énergie révolutionnaire

« L’avantage unique des satellites solaires par rapport à toute autre source d’énergie est cette transmissibilité mondiale. Vous pouvez envoyer de l’électricité à Chicago et une fraction de seconde plus tard, si vous en avez besoin, l’envoyer à la place à Londres ou à Brasilia », explique Paul Jaffe, chercheur principal du PRAM au US Naval Research Laboratory. Mais surtout, dans l’espace, le spectre lumineux contient plus de bleu, ce qui rend les panneaux solaires spatiaux beaucoup plus puissants que les panneaux terrestres ; en effet, la lumière bleue se diffuse à l’entrée dans l’atmosphère (c’est d’ailleurs pourquoi le ciel nous apparaît bleu). « Nous recevons une tonne de lumière solaire supplémentaire dans l’espace juste à cause de cela ! », a déclaré Jaffe.

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Le Photovoltaic Radio-Frequency Antenna Module (PRAM) à l’intérieur de la chambre à vide thermique, à l’US Naval Research Laboratory. © Jonathan Steffen/US Navy

Ce module d’antenne radiofréquence photovoltaïque a été lancé pour la première fois en mai 2020, attaché à un avion X-37B ; la mission de cet avion spatial américain est confidentielle et l’expérience PRAM est l’un des rares détails connus de ses objectifs. Dans un article publié au mois de janvier dans la revue IEEE Journal of Microwaves, Jaffe et ses collègues ont rapporté les premiers résultats de leurs expériences.

Pour le moment, le panneau d’environ 30 sur 30 centimètres est capable de produire près de 10 watts d’énergie, mais il n’a pas encore renvoyé d’énergie directement à la Terre. Selon l’équipe, la transmission de puissance par micro-ondes et ondes millimétriques peut en principe fonctionner, en particulier en combinant des panneaux PRAM de grande taille, de manière à obtenir un dispositif d’un kilomètre de large. La prochaine étape est donc d’agrandir le prototype de manière à recueillir davantage de lumière solaire.

Si le projet aboutit, il pourrait tout bonnement révolutionner la façon dont l’énergie est générée et distribuée aux coins les plus reculés du globe. Grâce à d’énormes antennes solaires spatiales de plusieurs kilomètres de large, il deviendrait possible de diffuser des micro-ondes, qui seraient ensuite converties en électricité, vers n’importe quelle partie de la planète, et à tout moment. Certaines projections suggèrent une production d’électricité de plusieurs gigawatts, soit suffisamment pour alimenter toute une ville.

Une mise en oeuvre complexe

Reste à établir la viabilité économique du projet. Paul Jaffe est plutôt confiant sur ce point : « Construire du matériel pour l’espace coûte cher, mais ces coûts ont commencé à baisser au cours des dix dernières années », remarque-t-il. L’expert met par ailleurs en avant le fait qu’une installation comme celle-ci s’avère moins compliquée dans l’espace, notamment parce qu’elle est soumise à une force de gravité moindre. À noter qu’une centrale solaire spatiale de 5 GW pèserait près de 10 000 tonnes (soit environ 25 fois la masse de l’ISS !).

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La chambre à vide thermique permet de tester le PRAM dans des conditions spatiales, octobre 2019. © Jonathan Steffen/US Navy

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La température à laquelle fonctionne le PRAM est un autre élément clé du projet. Comme l’explique Jaffe, à mesure qu’il se réchauffe, le dispositif est de moins en moins efficace. Or, l’avion X-37B sur lequel est aujourd’hui embarqué le module se trouve en orbite basse, cela signifie qu’il passe la moitié de chaque boucle (qu’il effectue en 90 minutes) dans l’obscurité, donc dans le froid. Mais les futures versions du PRAM adopteront sans doute une orbite géosynchrone, lors de laquelle l’appareil serait majoritairement exposé au Soleil. Les chercheurs ont donc mené une expérience consistant à maintenir le PRAM à une température élevée et constante, afin de prouver son efficacité s’il était positionné à 36 000 kilomètres de la Terre. Les résultats se sont avérés concluants : le système fonctionne même à haute température.

Pour transmettre l’énergie vers la Terre, les panneaux reposeraient sur une technique appelée « contrôle de faisceau rétro-directif » : un signal pilote est émis par l’antenne de destination se trouvant sur Terre vers le panneau spatial, de manière à ce que ce dernier sache précisément où envoyer les micro-ondes (et ne les dirige pas accidentellement vers la mauvaise cible). Les faisceaux hyperfréquences ne seraient transmis qu’une fois ce signal pilote reçu par le dispositif, signal signifiant que le récepteur terrestre est prêt. « Les micro-ondes, qui seraient facilement transformés en électricité sur Terre, pourraient être envoyés à n’importe quel point de la planète doté d’un récepteur », résume Jaffe. Cependant, une difficulté demeure : la taille des antennes émettrices et réceptrices des micro-ondes, qui en théorie devraient être immenses.

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Le spécialiste a par ailleurs dissipé toute crainte future que des individus malveillants puissent utiliser cette technologie pour créer une sorte de laser spatial géant. La taille de l’antenne requise pour diriger l’énergie d’un faisceau destructeur serait si énorme qu’elle serait forcément remarquée dans les années ou les mois nécessaires à son assemblage. « Il serait extrêmement difficile, voire impossible, de militariser l’énergie solaire depuis l’espace », conclut-il.

Source : IEEE Journal of Microwaves, C. T. Rodenbeck et al.

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