jefin novembre, une réunion au plus haut niveau des ministres européens de la science se réunira à Paris. Leur travail consiste à décider des prochaines priorités de l’Agence spatiale européenne (Esa), dont le Royaume-Uni est toujours membre, et l’un des éléments de leur liste à considérer est une proposition de test de faisabilité de la construction de centrales électriques commerciales en orbite. . Ces énormes satellites se prélasseraient dans la lumière du soleil, la convertissant en énergie et la transmettant à la Terre pour l’alimenter dans le réseau électrique. Le projet proposé, connu sous le nom de Solaris, déterminerait si l’idée peut contribuer à la sécurité énergétique future de l’Europe – ou si tout est encore en l’air.
Si l’étude obtient le feu vert, ce sera comme un retour à la maison pour l’industrie spatiale, qui a toujours été à la pointe du développement de l’énergie solaire. Un an après le lancement par les Russes du Spoutnik 1 alimenté par batterie en 1957, les Américains ont lancé Vanguard 1. Il s’agissait du quatrième satellite en orbite et du premier à produire son énergie à l’aide de l’énergie solaire. Depuis lors, les panneaux solaires sont devenus le principal moyen d’alimenter les engins spatiaux, ce qui a contribué à faire avancer la recherche. Les cellules solaires de Vanguard 1 ont converti seulement 9 % de la lumière du soleil captée en électricité. Aujourd’hui, l’efficacité a plus que doublé et continue d’augmenter, tandis que le coût de fabrication a baissé. C’est une formule gagnante.
“Le coût de l’énergie solaire a diminué rapidement au cours des 20 dernières années, et plus rapidement que ne le prévoyaient la plupart des acteurs de l’industrie”, déclare Jochen Latz, associé chez le consultant en gestion McKinsey & Company. À tel point qu’au Moyen-Orient et en Australie, l’énergie solaire est désormais le moyen le moins cher de produire de l’électricité. Selon Latz, à mesure que la technologie continue de se développer, cela deviendra également vrai dans les pays des latitudes moyennes. “En 2050, nous prévoyons que plus de 40 % de l’énergie de l’UE proviendra de l’énergie solaire – si les pays atteignent leurs objectifs”, déclare Latz. Cela ferait de l’énergie solaire la source d’énergie la plus importante pour l’UE.
Cependant, il existe des problèmes évidents qui nécessitent des solutions si nous voulons utiliser pleinement les panneaux solaires sur Terre. D’une part, que faisons-nous la nuit ? En mai, Ned Ekins-Daukes, professeur agrégé à l’école d’ingénierie des énergies photovoltaïques et renouvelables de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud, en Australie, et son équipe de chercheurs ont fait la démonstration d’une cellule solaire capable de générer de l’électricité à partir de l’émission d’infrarouges plutôt que de l’absorption de la lumière du soleil. Cela fonctionne parfaitement la nuit car la Terre stocke l’énergie du soleil sous forme de chaleur, qu’elle renvoie ensuite dans l’espace sous forme de rayonnement infrarouge.
Le dispositif prototype est basé sur le même type de technologie que celle utilisée dans les lunettes de vision nocturne et, à l’heure actuelle, il ne peut générer que quelques milliwatts de puissance, mais Ekins-Daukes en voit le potentiel. « C’est le début, c’est la première démonstration au monde de puissance radiative thermique », dit-il, indiquant que l’équipe vise un produit fini « 10 000 fois plus puissant ». À ces niveaux, il est possible qu’une installation sur le toit de tels appareils, probablement fabriqués d’une certaine manière comme une couche supplémentaire aux panneaux solaires conventionnels, capterait suffisamment d’énergie pour alimenter la maison pendant la nuit – c’est-à-dire, garder le réfrigérateur, le routeur wifi, etc. en courant. Bien qu’il s’agisse d’une économie modeste pour chaque ménage, multipliée par la population d’un pays, elle devient significative.
Un autre problème évident avec l’énergie solaire est que certains jours seront nuageux. Pour atténuer cela, l’électricité excédentaire générée les jours ensoleillés doit être stockée dans des batteries, mais la capacité de stockage est actuellement déplorable. “L’UE aura besoin d’environ 200 gigawatts [GW] de stockage de batterie d’ici 2030, mais en 2021, il n’y avait que 2,4 GW de stockage en place, donc une augmentation massive sera nécessaire », déclare Aidan McClean, directeur général d’UFODrive, une société de location de voitures entièrement électriques.
Pour remédier à ce manque à gagner, McClean défend un programme appelé véhicule-réseau – V2G – qui utilise la batterie d’un véhicule électrique (VE) pour stocker l’énergie excédentaire générée par les panneaux solaires sur le toit d’une maison, puis la retransférer dans la maison lorsque nécessaire le soir, ou même le revendre à National Grid à d’autres périodes de forte demande. “Si le V2G devient largement adopté, la capacité de stockage attendue de tous les véhicules électriques dépassera largement toutes les exigences de stockage prévues dont le réseau aura besoin à l’avenir”, déclare McClean. Un récent essai V2G à Milton Keynes, dans le Buckinghamshire, a montré que les participants économisaient de l’argent et réduisaient leur empreinte carbone en utilisant un système de charge “intelligent” qui rechargeait les batteries lorsque les énergies renouvelables produisaient de l’électricité.
Une autre approche consiste à utiliser l’énergie solaire non pas pour produire de l’électricité mais pour produire des carburants durables pour les véhicules. Virgil Andrei du département de chimie de l’Université de Cambridge et ses collègues ont mis au point une fine “feuille artificielle” qui s’inspire de la photosynthèse. Chez les plantes, la photosynthèse absorbe la lumière du soleil, l’eau et le dioxyde de carbone (CO2) et les transforme en oxygène et en sucres. Dans les feuilles artificielles, la sortie est du gaz de synthèse, ou gaz synthétique. Ce mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone peut être utilisé pour produire un certain nombre de carburants via divers procédés industriels. Il est même possible de produire de l’essence et du kérosène.
“Nous avons envisagé d’utiliser le CO2 de l’atmosphère ou d’autres processus industriels et en versant cela dans ces types de systèmes pour créer du carburant vert. Au lieu de libérer plus de CO2 dans l’atmosphère, nous avons juste une économie circulaire du carbone », explique Andrei. En effet, ils se superposeraient aux usines de capture du carbone, qui sont actuellement déployées pour exploiter le CO2 des procédés industriels et le « recycler » en carburants durables.
L’équipe a fabriqué une feuille artificielle pour la première fois en 2019, mais il s’agissait d’une construction volumineuse en verre et en métal qui reposait sur un banc. Cette année, cependant, l’équipe a annoncé les résultats d’une structure en forme de feuille plus petite que les chercheurs ont fait flotter sur la rivière Cam. La feuille a été scellée dans un sac en plastique transparent avec le gaz précurseur et de l’eau, puis laissée sur la rivière pendant plusieurs jours. L’équipe a ensuite ouvert le sac et testé quels gaz avaient été produits par la photosynthèse.
Les feuilles artificielles elles-mêmes sont composées de matériaux appelés pérovskites. L’archétype de la pérovskite est un minéral naturel d’oxyde de calcium et de titane – également connu sous le nom de titanate de calcium – qui a été découvert en 1839 dans les montagnes de l’Oural en Russie par le minéralogiste allemand Gustav Rose et nommé d’après son homologue russe Lev Perovski. Les pérovskites modernes peuvent avoir différents constituants chimiques et certains ont montré qu’ils peuvent fonctionner comme des cellules solaires.
“Ces matériaux sont très nouveaux et très excitants”, déclare Andrei. Des tests en laboratoire montrent qu’ils peuvent être plus efficaces que le silicium utilisé dans les panneaux solaires conventionnels. Les pérovskites pourraient même remplacer le silicium dans les panneaux solaires du futur car ils peuvent être fabriqués plus facilement et en couches minces et flexibles. Un autre avantage est que ces matériaux produisent des courants et des tensions plus élevés que leurs homologues en silicium, ce qui permet des processus plus énergétiques tels que les réactions utilisées dans l’étude des feuilles artificielles.
UNAussi prometteur que cela puisse paraître, il existe un problème insurmontable lors de la production d’énergie solaire à partir de la surface de la Terre : l’atmosphère. Les molécules de notre atmosphère dispersent environ la moitié de la lumière solaire hors du faisceau direct. Cette lumière dispersée qui rebondit est ce qui crée le ciel bleu que nous connaissons si bien. Dans l’espace, il n’y a pas d’atmosphère, donc la lumière du soleil n’est pas diluée. Et comme l’ont découvert les ingénieurs de l’aérospatiale au début de la course à l’espace, mettez un panneau solaire en orbite et il générera automatiquement environ deux fois plus d’énergie que le panneau équivalent sur Terre. Sans surprise, les ingénieurs et les visionnaires rêvent depuis des décennies de mettre en orbite des satellites produisant de l’énergie solaire.
Le principe de base est simple. Une flotte de vaisseaux spatiaux équipés de panneaux solaires géants collecte la lumière du soleil, avant de la convertir en électricité, puis de renvoyer cette énergie vers la Terre. Comment diffuser de l’énergie sans fil dans l’espace ? Il s’avère que nous le faisons depuis des décennies. Chaque satellite de télécommunications depuis les années 1960 utilise un panneau solaire pour produire de l’électricité, qui est ensuite convertie en un signal micro-ondes et envoyée sur Terre. Au sol, des antennes reconvertissent les micro-ondes en énergie électrique et lisent les signaux. “La physique impliquée dans toute cette chaîne est exactement la même pour l’énergie solaire spatiale, mais son échelle est complètement différente”, déclare Sanjay Vijendran de l’Esa, qui coordonne le programme Solaris proposé pour étudier la faisabilité de l’énergie solaire spatiale. énergie solaire.
Toutes les quelques décennies depuis le début de la course à l’espace, l’idée de l’énergie solaire spatiale a été étudiée. À chaque fois, l’histoire a été la même : le coût de lancement de ces gros satellites est prohibitif. Mais maintenant, les choses sont différentes.
« En 2015, un miracle se produit. La fusée réutilisable Falcon 9 vole pour la première fois », déclare John Mankins, un ancien physicien de la Nasa qui est maintenant président d’Artemis Innovation Management Solutions. Mankins est un expert des satellites à énergie solaire, ayant travaillé sur de nombreuses études de faisabilité au fil des décennies. Avec l’avènement d’une fusée véritablement réutilisable, le coût de l’envoi d’équipements en orbite chute. Au lieu de coûter environ 1 000 $ pour lancer chaque kilogramme dans l’espace, Mankins s’attend maintenant à ce que le prix descende à près de 300 $ le kilogramme. « C’est le Saint Graal de l’énergie solaire spatiale. Ce n’est pas seulement possible un jour – c’est inévitable dans les cinq ou sept prochaines années », dit-il.
D’autres sont tout aussi optimistes. En septembre 2021, le Frazer-Nash Consultancy a publié un rapport pour le gouvernement britannique qui concluait : « L’énergie solaire spatiale est techniquement faisable, abordable et pourrait à la fois apporter des avantages économiques substantiels au Royaume-Uni et pourrait soutenir les voies nettes zéro ». Fin août, l’Esa a publié ses propres études sur l’énergie solaire spatiale, qui sont parvenues à une conclusion similaire pour l’ensemble de l’Europe. En conséquence, l’agence demandera en novembre à ses États membres de financer une étude de faisabilité de trois ans sur les satellites à énergie solaire afin d’examiner en détail si un tel système pourrait devenir commercialement viable. “Solaris est un pont pour vérifier que c’est vraiment faisable et que cela aiderait vraiment avant de demander des milliards d’euros”, déclare Vijendran.
Que ces satellites soient mis en orbite ou non, il ne fait aucun doute que l’énergie solaire est appelée à dominer le paysage énergétique du futur. Et comme le montre la crise ukrainienne actuelle, cela pourrait conduire à une meilleure sécurité énergétique ainsi qu’à une réduction de notre production de carbone.
