Après l’arrivée d’une nouvelle flotte d’explorateurs de robots, les yeux du monde de l’observation de l’espace sont peut-être fixés sur Mars en ce moment, mais plus tard cette année, l’ambitieuse mission Lucy de la NASA est sur le point de voler une partie de la vedette. Lancée le 16 octobre pour une mission de plus de dix ans, Lucy est à destination des chevaux de Troie, des astéroïdes lointains qui suivent l’orbite de Jupiter.
La plupart des incursions précédentes dans le système solaire externe reposaient sur des générateurs thermoélectriques radio-isotopes coûteux, tels que les sondes Voyager et New Horizons. Au lieu de cela, Lucy porte une paire de panneaux solaires. Ils se déploient comme des éventails géants, chacun mesurant 6 mètres (20 pieds) de diamètre. Aller au-delà de l’orbite de Jupiter emmènera Lucy plus loin du Soleil que n’importe quel panneau solaire précédent – le record précédent concernait Juno, qui est actuellement en orbite jovienne.
Les «exigences de puissance extrêmes» là-bas sont «à peu près le nœud de la raison pour laquelle le panneau solaire est si énorme et incroyable», explique Katie Oakman, responsable des structures et des mécanismes du vaisseau spatial de Lucy.
Cela a signifié pousser la recherche photovoltaïque dans différentes directions vers la recherche qui s’est concentrée sur le développement de l’énergie solaire pour une utilisation sur Terre. Alors que les cellules photovoltaïques au silicium bon marché alimentent la transition énergétique propre sur Terre, le solaire spatial doit s’appuyer sur d’autres types de panneaux solaires.
Les conditions varient, mais le photovoltaïque dans l’espace est confronté à un certain nombre de défis. Même dans l’humble orbite terrestre, les satellites opèrent en dehors de la protection d’une atmosphère. Cela signifie que les panneaux solaires spatiaux sont confrontés à des variations de température drastiques entre l’ombre froide et la lumière du soleil brûlante. Et cette lumière du soleil est différente: elle a plus d’ultraviolets que ce que nous voyons au sol, par exemple.
Il y a un autre danger dans l’espace: les rayonnements ionisants. Les panneaux solaires en orbite terrestre peuvent faire face au maelström des ceintures de Van Allen, tandis que les panneaux solaires ailleurs pourraient avoir besoin de résister au vent solaire du Soleil. Au fil du temps, un tel rayonnement ronge l’efficacité des cellules solaires. Une cellule solaire qui passe 15 ans sur l’orbite géosynchrone de la Terre, à environ 36 000 kilomètres (22 000 miles) de hauteur, chutera à environ 80% d’efficacité.
Les tout premiers satellites des années 50 et 60 utilisaient des cellules photovoltaïques en silicium. Mais les concepteurs ont rapidement commencé à se pencher sur les cellules solaires dites multi-jonctions (MJ) III-V, en les fabriquant à partir de couches de plusieurs matériaux absorbant chacun une longueur d’onde différente de la lumière. Les cellules MJ sont plus efficaces, plus résistantes dans les conditions surnaturelles de l’espace et plus légères.
«Les industries spatiales utilisent des cellules solaires III-V depuis un certain temps maintenant, à cause de ces choses», déclare Ryan France, scientifique au Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) à Golden, Colorado, près de Denver.
NREL a été le pionnier des cellules MJ III-V au cours des dernières décennies, et plus récemment, des chercheurs ont poussé les cellules MJ vers le jalon tant vanté de 50% d’efficacité. La plupart des cellules MJ se composent de trois couches, mais en 2020, les chercheurs du NREL présenté une cellule à six jonctions qui a atteint une efficacité de 47% sous une lumière solaire concentrée, supérieure aux cellules photovoltaïques au silicium.
Le ramener sur Terre
Sur Terre, cependant, les cellules MJ sont confrontées à un obstacle économique: le faible coût des cellules photovoltaïques au silicium et leur domination écrasante sur le marché, combinés, compliquent la commercialisation des cellules MJ. Prix des cellules de silicium sont tombés soixante fois depuis 1980, dans une baisse qui montre peu de signes d’arrêt.
Jusqu’à présent, les cellules MJ sont largement utilisées dans l’énergie solaire concentrée, qui utilise des miroirs ou des lentilles pour focaliser et intensifier la lumière du soleil sur le panneau solaire. Cela génère des chiffres d’efficacité impressionnants, mais en dehors du laboratoire, il n’a pas été en mesure de rivaliser avec le silicium bon marché.
Mais les chercheurs de NREL ont maintenant détourné leur attention de la barre de performance de 50% en faveur de la réduction des coûts des cellules MJ. «Plus nous réduisons les coûts», dit la France, «plus nous avons potentiellement de marchés». Ils veulent ouvrir la voie aux cellules MJ pour atteindre de nouvelles applications, même si on ne sait pas encore ce que toutes ces applications pourraient être.
Mais les cellules solaires moins chères profiteront sans aucun doute aux applications spatiales. Et Oakman pense que le déploiement de panneaux solaires comme celui de Lucy a également une place dans l’avenir hors du monde de l’humanité, en particulier près de Jupiter, où les températures et les niveaux de lumière sont beaucoup, beaucoup plus bas que près de la Terre.
«Si nous voulons continuer à envoyer des engins spatiaux vers le système solaire externe», dit-elle, «alors je pense qu’il y a toutes sortes d’opportunités d’utiliser ce type de conception à l’avenir.»
