Une centrale solaire spatiale ? Un projet futuriste qui pourrait devenir réalité

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Bénéficiant d'un grand nombre de financements provenant du gouvernement fédéral et conformément à la volonté d'Obama de doubler la quantité d'énergie produite à partir de sources renouvelables, le solaire a le vent en poupe. Pourtant, malgré ses énormes promesses, les retombées technologiques restent encore très limitées. Un des problèmes majeurs reste le besoin d'énergie en continu, alors que la production d'électricité solaire est dépendante des conditions météorologiques et devient nulle la nuit. Des solutions de stockage sont envisagées mais elles ne sont pas encore déployées à grande échelle. De plus les meilleurs emplacements pour installer des fermes solaires sont situés dans les zones désertiques, très éloignées des centres de populations. Il faudrait donc transporter l'électricité sur parfois plusieurs centaines de kilomètres à travers des lignes de transmission qui d'une part n'ont pas encore été construites et qui d'autre part impliqueraient une grande perte d'énergie.

Pour contourner ce manque à gagner les chercheurs se sont tournés vers les étoiles : lancer des panneaux solaires dans l'espace permettrait de récupérer de l'énergie solaire 24h/24 toute l'année. Cette idée, digne d'un film de science fiction, avait déjà été explorée dans les années 1960 et 1970 par le Pentagone. Cependant à cette époque le concept était apparu économiquement infaisable quoique technologiquement envisageable. Mais voilà qu'il y a deux ans le Pentagon's National Security Space Office (NSSO) ressort ce vieux dossier et publie un rapport de 75 pages sur une centrale solaire spatiale. Depuis les ingénieurs ont construit un prototype expérimental, certes de petite taille, mais fonctionnel et produisant 20 Watts d'électricité à partir de cellules solaires situées à environ 150 km de la surface de la Terre.

Vue d'artiste d'une station solaire spatiale

Grâce à ces avancées importantes, produire de l'électricité à partir d'une centrale solaire spatiale est désormais possible. La vraie question maintenant est plutôt de savoir si les prix pourront concurrencer ceux de la production terrestre. Le Pentagone avait estimé que l'installation d'une plateforme expérimentale solaire en orbite coûterait 10 milliards de dollars pour une puissance produite de 10 Mégawatts, soit un prix beaucoup trop élevé pour une exploitation commerciale. Faisant fis de ces estimations, Solaren, une start-up composée de 10 vétérans de l'aéronautique et de l'industrie de la défense ont proposé de relever le défi. Ils n'ont pour le moment ni office, ni site web, seulement de grandes ambitions. Dans leur modèle technologique, le satellite sera doté de réflecteurs paraboliques pour concentrer les rayons du soleil sur les cellules solaires. Il en résultera un rayon électromagnétique qui sera envoyé sur la surface terrestre, réceptionné ensuite par une antenne d'une surface d'un kilomètre carré, puis converti en électricité. Le coût total de l'installation prévu est de 2 milliards de dollars soit 5 fois moins que l'estimation du Pentagone. La compagnie espère réaliser ce tour de force en réduisant le nombre de lancements de satellites, soit une part importante du budget.

Cependant de sérieux doutes subsistent sur la faisabilité du projet, dont les principales raisons sont d'ordre technologique. Solaren prévoit de lancer une série de gros satellites dans l'espace, utilisant des robots pour assembler les cellules solaires, qui, une fois installées, transmettront l'énergie solaire à plus de 35500 km de la Terre. Cette technologie ne semble pas être encore complètement maîtrisée, et pourrait accuser des retards importants pour sa mise en fonction. Certains, comme sur le forum "transterrestrial musings", pensent également que l'installation nécessiterait au moins 12 lancements dans l'espace et non 4 comme la start-up le prévoit, ce qui augmenterait énormément les dépenses et rendrait le projet non économiquement viable. Michael Peevey president de la California Public Utilities Comission, partisan du projet, ne cache pas non plus ses craintes. "Je serai le premier à admettre que notre objectif peut dépasser nos compétences dans cette affaire. Mais pour citer le poète Robert Browning, 'les objectifs d'un homme devraient dépasser ses connaissances ou a quoi sert le paradis?'". Quant à Martin Hoffert, un physicien de l'université de New York, il estime que ce programme devrait être du ressort de la NASA et non d'une compagnie privée. S'ajoute enfin à tout ceci des craintes sur les risques de santé liés aux rayons électromagnétiques envoyés sur Terre. Selon des experts, il n'y aurait pas plus de dangers que ceux liés aux téléphones portables ou aux réseaux sans fil, un sujet qui fait encore débat.

Choisissant de soutenir ce pari risqué, Pacific Gas&Electric (PG&E), un des plus importants fournisseurs d'électricité en Californie, a décidé de signer un contrat, le printemps dernier, avec Solaren. Il a en effet promis de racheter l'ensemble de la production de ce dernier qui devrait être de 200 mégawatts, soit la moitié de la quantité d'électricité produit en moyenne par une centrale au charbon. Selon les prévisions, les premiers panneaux solaires seront envoyés dans l'espace d'ici 2016. Pourquoi PG&E s'implique dans un tel projet? Selon un décret passé en Californie, 20% de la production d'énergie devrait, fin 2010, provenir de sources renouvelables. Or, à l'heure actuelle, le niveau atteint par PG&E n'est seulement que de 14%, incluant la géothermie et la biomasse.

Il existe un autre argument en faveur d'une centrale solaire spatiale : le Pentagone soutient ce type de projet car il peut être un avantage stratégique militaire significatif. Tout d'abord, l'énergie n'étant pas fossile, il apporte une sécurité énergétique supplémentaire. D'autre part, quand une armée opère dans des terrains reculés, comme dans des régions d'Irak ou d'Afghanistan, un générateur à essence est utilisé pour alimenter les bases. Ceci implique un ravitaillement régulier de camions-essence et de soldats pour les protéger ce qui est très coûteux et dangereux. Enfin, cette énergie spatiale pourrait être d'une grande utilité dans des zones dévastées par des catastrophes naturelles.

Si Solaren est le seul à avoir signé pour le moment un accord avec un fournisseur d'électricité, il n'est cependant pas le seul à s'intéresser au solaire spatial. PowerSat vient de valider plusieurs brevets, pour l'utilisation de centaines de petits satellites reliés ensemble. Ceci permet de réduire les coûts d'installation de la base dans l'espace car il serait alors possible d'utiliser l'énergie solaire pour manoeuvrer les satellites dans l'espace. Il faut également citer Space energy, une compagnie suisse, elle aussi très impliquée dans ce domaine.

Il est encore tôt pour se prononcer sur la réussite d'un tel projet. Néanmoins, les efforts importants réalisés montrent à quel point le secteur des énergies et en particulier les énergies renouvelables devient un enjeu capital aux Etats-Unis et plus généralement dans le monde.

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klinfran

ben fais le si tu veux, quand tu auras trouvé son E2PZ surtout ne le crie pas trop fort, il y a les firmes pétrolières qui voudront te faire taire, comme des millions avant toi!!! :D :rD :keup:

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Maulus

hahaha :rD :rD :rD :rD

AG
agathos

Juste un peu d'optique. Il me semble que : si on prends une surface collectrice au sol de 1km de diamètre, la taille (angulaire) du faisceau de l'émetteur en orbite doit être inférieur à 1/36000 (radian) soit environ 6" (secondes d'arc), si non, le faisceau bavera de partout autour du collecteur et le rendement en prendra un coup.
Il faut donc que l'aocm ( Attitude and Orbit control module) de l'émetteur maintienne un pointage du faisceau avec une précision d'au moins 2". Ca a l'air possible (Hubble Space Telescope est pointé à mieux que 0,1").
Sur le diamètre D de la surface émettrice, maintenant, pour que la divergence du faisceau reste inférieure à alpha = 6", et si la longueur d'onde lambda choisie est de 5cm (qui doit pas trop mal traverser l'atmosphère) il faut que : (lambda/D)<alpha.
Ce qui revient à D>36000*5 cm soit environ 2 km. Dans ce cas l'hypothèse d'un récepteur de 1km de diamètre ne tient plus, il faut au moins 3 km.
Il faudrait donc construire un maser de 2km de diamètre, de la puissance W requise, et stabiliser son faisceau à 2" près.
Messieurs les radio-techniciens, à l'aide ! Vous aviez compris que ma science des micro ondes s'arrête là.
Mon raisonnement tient-il la route ?

Pourquoi ne pas utiliser des longueurs d'onde plus courtes, en prenant 1mm, par exemple, toutes les dimensions ci-dessus pourraient être divisées par 50 ! mais je ne sais pas si on sait faire, et le maser, et le récepteur. Ce qui est certain, c'est qu'on ne peut pas aller au dessous de 1 mm en longueur d'onde car l'atmosphère devient vite opaque.

Une autre remarque : je suis perplexe devant certains nombres utilisés dans ce forum, sur le rendement des cellules photovoltaïques au Si. Sur le toit de mon chalet, à 2000m d'altitude, je récupère environ 100Watt électrique par m2 de cellule, je ne pense pas que hors de l'atmosphère on récupérera beaucoup plus, peut être 20%, mais surement pas 100%. La puissance contenue dans le spectre solaire entre la coupure de l'atmosphère dans le rouge et le seuil de détection du Si est assez faible.

Il est vrai que le photovoltaïque vieillit en orbite, sous l'effet des cosmiques et micro-météorites, mais pas si vite que ça, on peut tabler sur au moins 5 ans. Quand il auront trop perdu de leur rendement, la seule solution sera de disposer d'assez de carburant pour les faire descendre (eh oui, en orbite, pour descendre, il faut allumer les moteurs!) et les faire brûler lors de leur entrée dans l'atmosphère : ça produira du SiO2, c'est à dire du sable. Question pollution je ne vois pas bien le danger.

Plus gênant : je n'ai pas la moindre idée du rendement Q d'un maser (Q = (puissance lumineuse du faisceau)/(puissance électrique fournie par les cellules), ce que je sais c'est que la puissance (1-Q)W va faire chauffer l'engin en orbite, qui devra donc disposer d'un système de refroidissement. Mais dans l'espace le seul moyen de se refroidir est d'émettre des photons vers le fond de l'univers. La surface S de ce radiateur sera sans doute assez grande : Si on impose que la température reste inférieur à 300 Kelvin (27 °C), on trouve (en m2) S > 500(1-Q)W .

Lecteur aide moi dans mes élucubrations !!!

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klinfran

A mon avis la formule que tu utilise est valable quand la fente (l'émetteur) est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde, car si je ne me trompe tu as utilisé une formule de diffraction qu'on utilise en terminale.

AG
agathos

je ne suis plus très au fait de l'optique enseignée en terminale, mais la propriété de divergence du faisceau, caractérisée par l'angle lambda/D (ou D est le diamètre d'un émetteur circulaire, pas forcément une fente comme dans les expériences de Young) découle de la nature vibratoire de la lumière (quel que soit lambda) et de sa diffraction du fait des dimensions géométriques finies de l'émetteur. C'est ce qui fait que le faisceau d'un laser de petit diamètre diverge beaucoup plus que celui d'un gros.
Non, ce calcul ne suppose pas que la dimension de l'émetteur est de l'ordre de grandeur de lambda, Si c'était le cas, alors les choses deviendraient beaucoup beaucoup plus compliquées (voir Born et Wolf, Principles of Optics 5th edition 1975)

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klinfran

ben si, moi je connais un peu mon cours d'optique ondulatoire, il s'agit d'une formule de diffraction, or la diffraction n'est perceptible ou importante que lorsque la largeur de la fentre est de l'ordre de la longueur d'onde. Et je ne suis pas en terminale.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Coh%C3%A9 ... que)#Coh.C3.A9rence_spatiale

Le résultat précédent ressemble furieusement à celui de la diffraction. Est-ce un hasard ?
La tache d'Airy résultant de la diffraction par une pupille circulaire rend compte de la contribution de toutes les sources secondaires à considérer sur la pupille. Plus la pupille est grande, plus les déphasages s'accumulent dès lors que l'on s'éloigne de la position centrale de l'image géométrique. Il s'ensuit que la tache de diffraction est d'autant plus piquée que la pupille est grande.

de là
https://media4.obspm.fr/public/FSU/inst ... ence-spatiale/APPRENDRE.html

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Khainyan

Aaah l'optique ondulatoire... que du bonheur :lol:
J'confirme ce que dis klinfran. Les phénomènes de diffraction interviennent quand la taille des obstacles rencontrés est proche de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde.

Mais mais... pourquoi y a-t-il diffraction? (repenchez-vous sur cette question pour bien vous convaincre du fait précédent).

AL
alizaki

pourquoi aller dans l'espace alors que nous avons des muillion de kilometre carré de desert sur terre où l'energier solaire bas son plein.

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Aldebaran

Ben dans l'espace y a pas d'atmosphère, pas de nuages et surtout y a pas de nuit ! Le soleil bombarde en permanence 24h/24.

VI
Victor

Moi la question que je me pose, c'est la tenue en durée face aux radiations solaires... Du style gammas et les rayons ultra énergétiques... Sur Terre le milieu est beaucoup moins agressif