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May 21, 2023

Les scientifiques se rapprochent de l'exploitation de l'énergie solaire depuis l'espace

Dans la nuit du 22 mai, un groupe de chercheurs et d'étudiants s'est réuni autour d'un

Dans la nuit du 22 mai, un groupe de chercheurs et d'étudiants s'est réuni autour d'un écran d'ordinateur sur le toit du département de génie électrique de Caltech. Les moniteurs étaient connectés à un équipement conçu pour détecter le rayonnement micro-onde reçu d'un satellite dans l'espace. Et à environ 300 miles au-dessus d'eux, loin au-dessus de l'épaisse couverture de nuages ​​de la nuit, ce satellite était sur le point de passer au-dessus d'eux, équipé comme un banc d'essai pour les technologies qu'ils avaient développées pour recueillir l'énergie solaire dans l'espace et la projeter vers la Terre.

Les chercheurs ne s'attendaient pas à grand-chose. Ils avaient déjà atteint leur objectif principal en mars : utiliser le rayonnement micro-ondes pour projeter de l'électricité à travers un espace de quelques centimètres pour allumer une paire de LED à bord du vaisseau spatial afin de tester si leur système de transfert d'énergie, essentiel pour acheminer un jour l'énergie solaire vers la Terre, tiendrait le coup dans l'environnement hostile de l'espace. Il y avait beaucoup d'incertitude quant à savoir s'ils pouvaient obtenir une infime quantité de puissance mesurable sur Terre lors de leur premier essai. Pourtant, ils se sont calmés à mesure que l'heure du passage du satellite se rapprochait. À 21 h 57, les moniteurs ont commencé à montrer le rayonnement de fond que les récepteurs captaient, fusionnant en quelque chose d'autre : un signal électrique qui correspondait à ce qui était projeté par leur satellite. Ils avaient réussi à détecter l'énergie micro-onde que leur nouveau système de transfert de puissance dirigeait vers la Terre. "Il a fallu quelques instants pour comprendre", explique Ali Hajimiri, professeur de génie électrique à Caltech. "Alors tout le monde est devenu vraiment excité."

Hajimiri dirige une composante d'une entreprise plus vaste des chercheurs de Caltech pour développer une technologie qui pourrait rassembler l'énergie du soleil dans des satellites massifs en orbite autour de la Terre et la transmettre pour alimenter le réseau. C'est un concept audacieux, avec des avantages qui changeront le monde si jamais de telles centrales solaires en orbite devaient être construites. Les panneaux solaires sur Terre ne fonctionnent que pendant la journée et ne produisent pas beaucoup d'électricité les jours nuageux ou lorsque le soleil est bas le soir ou tôt le matin. En orbite, cependant, de tels panneaux produiraient un flux constant d'énergie sans émission. "Dans l'espace, il est toujours midi par temps ensoleillé", explique Hajimiri.

C'est une idée qui a captivé l'imagination des écrivains et des futuristes pendant des décennies - la première mention publiée du concept est probablement venue dans une nouvelle de 1941 de I, Robot écrivain Issac Asimov. Mais même lorsque les satellites de communication, les alunissages et les sondes vers Mars sont devenus réalité, les centrales solaires sont restées dans le domaine de la science-fiction. De nombreux composants nécessaires à un tel système ont été développés au fil des ans, mais les problèmes physiques liés au démarrage de cette centrale électrique théorique étaient plus difficiles - tout système capable de générer une quantité utile d'électricité serait bien trop lourd pour être mis en orbite.

Mais les chercheurs du Space Solar Power Project de Caltech affirment que de nouveaux développements technologiques, en particulier le potentiel de panneaux solaires extrêmement légers et flexibles et de systèmes de transfert d'énergie légers pour remplacer les antennes encombrantes, ont amené l'idée dans le domaine de la réalité. Le démonstrateur d'énergie solaire spatiale de Caltech, lancé en janvier, comprend une gamme de différents types de panneaux solaires avancés à tester qui fonctionneront le mieux pour une centrale solaire spatiale, ainsi qu'un système de test conçu pour se déployer dans un 6 par 6 pieds. structure qui pourrait être utilisée pour contenir des panneaux solaires, aux côtés du système de transfert d'énergie de Hajimiri.

Caltech n'est pas la seule organisation à s'être intéressée aux centrales solaires. Le gouvernement chinois prévoit une mission en 2028 pour démontrer la technologie en orbite terrestre basse. Et en novembre dernier, les ministres de la science de l'UE ont donné le feu vert à Solaris, un projet conjoint entre l'Agence spatiale européenne (ESA) et la société aérospatiale Airbus pour étudier la possibilité de construire de gigantesques centrales solaires en orbite géostationnaire au-dessus de l'Europe. (Intentionnel ou non, le lien avec le monde de la science-fiction du milieu du siècle demeure, le projet partageant le titre du roman classique de Stanislaw Lem de 1961.)

Le démonstrateur d'énergie solaire spatiale de Caltech n'est pas réellement un prototype de centrale électrique. Il s'agit plutôt d'une collection de trois expériences distinctes pour tester des composants qui seraient éventuellement intégrés dans un seul système. Deux des expériences - le système d'auto-assemblage et les tests solaires - n'ont pas encore produit de résultats. Le composant de transfert d'énergie a fonctionné en envoyant de l'électricité sur quelques centimètres. Lorsqu'il est dirigé vers la Terre, il répartit la majeure partie de sa puissance de sortie sur une zone très large, comme prévu, ne parvenant qu'à obtenir une fraction extrêmement infime de son énergie sur le récepteur (un système plus grand pourrait concentrer l'énergie sur une zone beaucoup plus petite). Dans un sens fondamental, la façon dont ce système fonctionne n'est pas différente de la façon typique dont les satellites communiquent avec la Terre en projetant un rayonnement micro-ondes qui est converti en énergie électrique au niveau d'un récepteur. Mais le système de Hajimiri est conçu différemment, basé sur un concept qui lui permettrait de se développer pour concentrer de grandes quantités de puissance sur de petits récepteurs terrestres. Avec plus de financement et de recherche, les ingénieurs travaillant sur le projet sont optimistes quant à la commercialisation de la technologie dans les décennies à venir. Dans environ cinq ans, ils pensent pouvoir construire un système capable de transférer suffisamment d'énergie solaire pour recharger un ordinateur portable depuis l'espace. À partir de là, il s'agit de passer à l'échelle supérieure pour construire une centrale électrique commerciale à part entière.

"Nous construisons actuellement des choses dans nos laboratoires universitaires, et nous sommes donc nécessairement à petite échelle", explique Sergio Pellegrino, professeur d'aérospatiale et de génie civil à Caltech travaillant sur le projet solaire spatial. "Cette infrastructure va être très grande, donc une transition vers une installation de production industrielle est la clé de la prochaine étape.

"Cela prend quelques années, avec la bonne somme d'argent", ajoute-t-il. "Cela ne prend pas beaucoup d'années."

Les chercheurs de Caltech se sont retrouvés dans la même ligue que le gouvernement chinois et l'ESA grâce à l'intérêt d'un seul homme. En 2011, Donald Bren, 91 ans, magnat de l'immobilier milliardaire californien et membre à vie du conseil d'administration de Caltech, a lu un article de Popular Science sur l'énergie solaire spatiale. Intrigué par le potentiel de la technologie, il a commencé à financer un programme à Caltech pour poursuivre l'idée, contribuant finalement à plus de 100 millions de dollars.

Trois professeurs de Caltech sont venus à bord. Pellegrino a recherché des structures légères et auto-assemblées - quelque chose qui pourrait tenir dans un petit espace dans une fusée, mais qui se déploierait ensuite en orbite pour absorber les rayons du soleil. Harry Atwater, professeur de physique appliquée et de science des matériaux, a cherché à trouver les bons panneaux solaires pour la centrale électrique. Les panneaux solaires traditionnels sur satellites utilisent du verre pour protéger les systèmes sous-jacents, mais une telle solution serait trop lourde pour la centrale solaire. "Nous avons étudié comment rendre les choses intrinsèquement résistantes aux rayonnements, et nous pourrions donc nous débarrasser de ce morceau de verre", a déclaré Atwater.

Hajimiri, quant à lui, a dirigé la partie du projet portant sur le transfert d'énergie. Par chat vidéo, il montre sa solution, une feuille souple recouverte d'un quadrillage. Plutôt que de pointer une seule énorme antenne vers une cible, chaque point du système de grille de Hajimiri émet une petite quantité de rayonnement micro-ondes. Les ordinateurs ajustent minutieusement les fréquences du rayonnement superposé, créant une sorte d'effet de lentille utilisant des interférences constructives et destructrices, comme des ondulations qui se chevauchent dans un étang, pour concentrer l'énergie sur un point particulier. "Vous êtes passé d'un éléphant géant à une armée de fourmis de ces émetteurs individuels", déclare Hajimiri.

Une centrale électrique utilisant une telle technologie pourrait envoyer de l'électricité à n'importe quel point en dessous sur Terre, pourrait changer de lieu de transfert presque instantanément, ou même diriger l'énergie vers plusieurs endroits à la fois. Cela ouvre la possibilité d'envoyer facilement de l'électricité aux endroits du monde qui en ont le plus besoin, ou de diriger l'électricité vers des endroits spécifiques après des catastrophes naturelles. Les premiers intervenants n'auraient qu'à dérouler un récepteur au sol pour recevoir un approvisionnement régulier en électricité, même par temps nuageux ou la nuit.

Les nouveaux résultats de l'expérience de lundi dernier ont prouvé que la technologie pouvait effectivement fonctionner depuis l'espace. L'étape suivante consiste à régler les petites irrégularités pour améliorer la prochaine génération du système de transmission d'énergie, un processus qui peut prendre des mois. Ensuite, c'est à la tâche d'intégrer tous les composants expérimentaux dans un système plus grand. "Bien qu'il y ait encore des obstacles à surmonter pour le transfert d'énergie sans fil à grande échelle de l'énergie solaire spatiale", déclare Hajimiri, "cela nous rapproche".

Rectificatif, 1er juin

La version originale de cette histoire a mal énoncé le nom d'un professeur de Caltech. Il est Harry Atwater, pas Henry Atwater.

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