Des panneaux solaires spatiaux pour accélérer la décarbonisation de l'Europe

« Nous disposons aujourd'hui de trois grandes sources d'énergie : les combustibles fossiles, l'énergie nucléaire et l'énergie solaire. Parmi elles, l'énergie solaire est essentielle à la survie de l'humanité sur Terre. » C'est ce qu'écrivait Peter E. Glaser, l'inventeur du concept de satellite solaire, dans la revue Science en 1968. Il s'agit d'une centrale solaire spatiale capable de capter l'énergie solaire en orbite et de la transmettre à la Terre par micro-ondes.

Après plus de cinquante ans, la communauté scientifique affirme que les panneaux solaires spatiaux (SBSP) sont enfin une option viable .

En août, un groupe de chercheurs du King's College de Londres et de l'Université Xi'an Jiaotong a publié une étude dans la revue scientifique Joule confirmant que l'Europe pourrait compenser jusqu'à 80 % de sa production actuelle d'énergie éolienne et solaire et réduire l'utilisation des batteries de plus de 70 % d'ici 2050, « tout en maintenant l'utilisation de l'hydrogène comme essentielle à l'équilibre saisonnier ».

En pratique, il serait possible d’accéder à une source d’énergie renouvelable fiable et constante , éliminant ainsi les faiblesses actuelles du mix énergétique européen et favorisant une transition plus douce et durable vers le zéro émission nette.

« Bien sûr, de nombreuses variables subsistent, non seulement en termes de technologie, mais aussi de coûts. Cependant, l'idée est revenue à la mode grâce à SpaceX et à la possibilité de rendre le transport plus abordable », explique Tommaso Sironi, chercheur en aérospatiale à l' Université polytechnique de Bari et ingénieur en recherche et développement chez Astradyne, une start-up qui développe des solutions photovoltaïques légères, flexibles et performantes, point de départ de l'avenir des SBSP.

Les chercheurs et auteurs de l'étude eux-mêmes affirment que les principaux défis actuels sont précisément liés aux coûts élevés, au manque de maturité technologique adéquate et aux divers risques réglementaires et de sécurité orbitale. Un pari risqué ? Pas vraiment. Le professeur Xinyang Che du King's College explique que malgré les obstacles, les SBSP bénéficient d'avantages systémiques uniques pour la décarbonation et la sécurité énergétique européenne.

Des panneaux qui fonctionnent 24 heures sur 24

Installer des panneaux solaires dans l'espace implique de collecter de l'énergie presque 24h/24 et 7j/7, tandis que sur Terre, selon la saison et l'emplacement, cette durée varie de 8 à 12 heures par jour, souvent avec une efficacité réduite. Un panneau spatial, idéalement positionné en orbite, pourrait convertir la lumière du soleil et transmettre de l'énergie en continu », souligne Sironi. Il existe actuellement deux configurations les plus répandues. L'une repose sur une grande surface de panneaux (plane), rappelant les parcs solaires. Le côté exposé au soleil collecte l'énergie, tandis que l'autre intègre des antennes qui transmettent l'énergie au sol. « C'est une conception assez simple, mais elle nécessite d'orienter les panneaux vers le soleil pour maximiser la collecte d'énergie et de les orienter également vers une station de réception au sol. Cela signifie qu'il n'est pas possible d'obtenir la même précision sur les deux fronts 24h/24 et 7j/7. L'autre configuration, plus complexe, utilise des miroirs (un héliostat) pour capter et concentrer la lumière sur le panneau solaire. Ainsi, quelle que soit sa position, l'efficacité est généralement optimale », précise l'ingénieur.

Quant au transfert d'énergie vers les stations terrestres, toutes les expériences convergent vers l' utilisation d'ondes de fréquences de l'ordre du GHz, donc du spectre des micro-ondes . Dans le même esprit que la transmission de données ; rien de dangereux, en somme. L'avantage, comme le souligne Sironi, est que les nuages ​​et l'humidité n'affectent pas la connexion . De fait, les fréquences comprises entre 2 et 5 GHz sont même plus efficaces que celles des satellites qui envoient des images.

Le problème le plus important concerne probablement l'assemblage des panneaux . Bien que le nouveau lanceur Starship de SpaceX dispose d'une capacité de charge utile adéquate, la méthode la plus crédible pour assembler des engins spatiaux est celle des robots autonomes. Plusieurs projets attirent des investissements à ce sujet.

Et puis il y a la question du rendement du système . « Le rendement des cellules solaires peut varier de 20 à 30 % selon leur coût et leur résistance au rayonnement spatial. Mais même dans le pire des cas, au-dessus de l'atmosphère, le panneau reçoit davantage d'énergie solaire (1 350 watts par mètre carré contre 1 000 watts par mètre carré au sol), de sorte que la puissance convertie dans l'espace est plus importante. L'antenne perd également de l'énergie lors de la transmission et de la réception de l'énergie. Globalement, l'objectif est d'atteindre un rendement global, des rayons solaires au réseau, supérieur à celui des panneaux solaires au sol. Le principal avantage, cependant, reste le facteur temps : l'énergie est disponible 24 h/24 et 7 j/7, quasiment sans interruption. »

En bref, tout effort dans cette direction serait justifié, notamment parce qu’il n’existe pas de ressource renouvelable aussi stable et durable capable de nous émanciper des crises énergétiques mondiales.

Il est légitime d'y croire, car cette technologie peut aussi avoir des implications majeures pour d'autres. Si l'on analyse ensuite les données, faire des prédictions d'ici 2050 sur un produit aussi innovant est assurément risqué. Mais des entreprises, des instituts de recherche et des universités l'expérimentent. De petits modules permettent de tester le modèle, comme le fait le California Institute of Technology. Tout commence toujours ainsi. Et puis, généralement, on atteint son objectif », conclut Sironi.

Les expériences en cours

La NASA représente une sorte d'avant-garde dans le secteur des SBSP, avec deux axes de développement. Le premier repose sur la conception innovante d'« essaim d'héliostats », un assemblage coordonné de modules hexagonaux autonomes qui réfléchissent et concentrent en continu la lumière solaire. Chaque module (comme un héliostat) est censé diriger les rayons solaires vers une destination spécifique, mais dans ce cas précis, l'« essaim » désigne la gestion collective d'un grand nombre de ces dispositifs indépendants. Son avantage réside dans une disponibilité énergétique annuelle potentiellement élevée. Le second est la conception d'« ensemble planaire », qui repose sur une construction en sandwich, avec un panneau d'un côté et une antenne de l'autre. C'est la plus prometteuse, car plus aboutie et plus compatible avec les réalisations des projets d'assemblage modulaire autonome en orbite.

L'ESA a quant à elle lancé une étude de faisabilité (Solaris) sur le sujet, confiée à Thales Alenia Space et qui devrait apporter une première réponse d'ici fin 2025. Le professeur Xinyang Che est convaincu que pour atteindre la compétitivité économique du SBSP à l'horizon 2030-2050, il faudra des avancées clés telles que l'assemblage autonome en orbite, la transmission sans fil à grande échelle et une réduction drastique des coûts de lancement spatial.