Le défi des centrales d’énergie dans l’espace

Une promesse vieille de plusieurs décennies pourrait devenir réalité : une énergie solaire illimitée depuis l’espace. Les défis techniques et les coûts sont énormes, mais il y a beaucoup d’arguments en faveur de l’idée.

Des panneaux solaires dans l’espace ou des miroirs volants pour éclairer les zones sombres du monde depuis l’espace: ces dernières décennies, ces concepts ont refait surface, particulièrement en période de hausses des prix de l’énergie. Mais finalement, ils ont été mis de côté. Leur mise sur orbite coûterait trop cher.

La donne pourrait désormais changer, du moins selon les partisans de la technologie qui espèrent « ajouter une flèche de plus à leur arc dans la lutte contre le changement climatique », affirme un rapport américain sur le sujet.

Aux États-Unis, au Royaume-Uni et au Japon, des recherches sont menées sur la production d’énergie dans l’espace. L’armée américaine étudie la technologie pour alimenter des bases éloignées en énergie. Chez le constructeur aéronautique Airbus, on y voit une façon de fournir de l’énergie aux avions en vol. La Chine prévoit de lancer une installation de test en 2028, deux ans plus tôt que prévu. L’Agence spatiale européenne (ESA) mène actuellement une recherche approfondie sur les possibilités de cette technologie.

« Les prix des cellules solaires et des lancements de fusées ont énormément baissé », explique Sanjay Vijendran. Le Britannique est le chef du projet Solaris de l’ESA, basé au centre de recherche et de technologie de Noordwijk aux Pays-Bas. Sanjay Vijendran a précédemment travaillé sur des missions vers Mars. L’homme semble aimer les folles idées. L’intéressé voit les choses autrement. « Ce n’est pas de la science-fiction ésotérique, déclare-t-il à propos des centrales d’énergie planifiées dans l’espace. Des acteurs importants examinent les possibilités dans ce domaine. »

Les fusées réutilisables de SpaceX, fondée par Elon Musk, ont considérablement réduit les coûts de transport vers l’espace ces dernières années. Le « Starship » que Musk construit actuellement pourrait révolutionner le domaine, même s’il doit encore accomplir avec succès son premier vol.

L’année dernière, l’ESA a commandité deux études sur la viabilité économique de l’énergie solaire provenant de l’espace. La conclusion était que le processus pourrait théoriquement devenir rentable d’ici les années 2040, bien qu’un investissement de plusieurs milliards soit nécessaire. Cependant, cela serait également le cas, par exemple, pour de nouvelles centrales nucléaires.

Actuellement, deux consortiums industriels rédigent des rapports pour l’ESA. Ils devraient être disponibles d’ici fin 2023. « Cette fois-ci, déclare Sanjay Vijendran, employé de l’ESA, il s’agit de la réalisation technique possible d’un système de test. Ce qui est remarquable, c’est qu’en plus des entrepreneurs principaux, la société spatiale Thales Alenia Space et le cabinet de conseil en gestion Arthur D. Little, de grandes entreprises énergétiques – Engie en France et Enel en Italie – sont également impliquées dans la planification. »

Comment ça fonctionne?

Des panneaux solaires sont envoyés dans l’espace par fusée et assemblés pour former des structures de plusieurs kilomètres. Parmi les possibilités, des modules fins déroulés comme un tapis ou des structures construites à partir de carreaux. Il serait logique que les voiles solaires volent à une altitude précise de 35 786 kilomètres, car les satellites y orbitent autour de la Terre à la même vitesse que celle-ci. Cela signifie qu’ils restent toujours au-dessus du même endroit de la surface terrestre, comme c’est habituel pour les satellites de communication. Et c’est crucial pour la prochaine étape, où l’énergie convertie en micro-ondes ou en faisceaux laser doit être transmise vers la Terre.

Cependant, le processus est très inefficace: chaque mètre carré de panneau solaire dans l’espace reçoit environ 1,4 kilowatt du soleil. Même en convertissant l’énergie en électricité, 70 à 80% seraient perdus, tout comme sur Terre. Pour une centrale électrique dans l’espace, la perte serait encore plus importante : les experts d’Airbus estiment que la conversion en micro-ondes, dont la longueur d’onde est similaire à celle d’un routeur Wi-Fi, réduirait l’efficacité de 5% supplémentaires.

L’an dernier, Airbus a testé le processus à petite échelle. Deux kilowatts d’électricité n’ont pas été envoyés de l’espace vers la Terre, mais ont parcouru 36 mètres jusqu’à un hangar à Munich. Au moins 500 watts sont effectivement parvenus. Il y a quelques mois, des chercheurs du California Institute of Technology ont même envoyé une quantité d’énergie inconnue mais « vérifiable » depuis leur petit satellite Space Solar Power Demonstrator One, situé à une altitude de 525 kilomètres. Le milliardaire de l’immobilier Donald Bren avait légué plus de 100 millions de dollars à l’université pour promouvoir la production d’énergie dans l’espace.

En tout cas, il reste encore un long chemin à parcourir avant que le concept puisse être mis en œuvre à grande échelle. Pour générer entre un gigawatt et demi et deux gigawatts d’énergie électrique, il faudrait des cellules solaires d’une superficie de 10 à 15 kilomètres carrés dans l’espace. De plus, les systèmes devraient être protégés contre les débris spatiaux et il faudrait s’assurer qu’ils ne se transforment pas en débris dangereux.

Risques pour la Terre?

Et puis il y a l’utilisation des terres au sol. Selon la fréquence des micro-ondes utilisées, une seule station de réception pourrait s’étendre sur 70 kilomètres carrés. Pour l’antenne, un filet métallique, similaire à une clôture en treillis, pourrait être attaché à des mâts au-dessus du sol. « 70 kilomètres carrés, compte Sanjay Vijendran de l’ESA, c’est comparable à la taille d’une mine de lignite à ciel ouvert en Allemagne. Nous pourrions peut-être convertir une de ces mines en récepteur. »

Cependant, le transfert de grandes quantités d’énergie de l’espace vers la Terre ne comporte-t-il pas de risques ? Que se passe-t-il avec les oiseaux qui traversent le faisceau – vont-ils tomber morts ? Quel est le danger pour les personnes au sol ? La radiation concentrée pourrait-elle tout embraser? Sanjay Vijendran connaît ces questions et leurs réponses. « 250.250 watts par mètre carré est la puissance maximale par surface qui peut être attendue au sol lors du transport d’énergie depuis l’espace. Bien que cette valeur dépasse la limite humaine, ce n’est pas plus fort que le soleil de l’après-midi. Notre corps peut le supporter. De plus, le système de réception devrait être équipé de panneaux d’avertissement, mais il n’y a pas de raison de paniquer. Personne ne prend feu, rien n’est frit. En hiver, les oiseaux se posent sur les antennes pour se réchauffer. »

Combien cela coûtera-t-il ?

Une chose est claire : dans un avenir proche, les centrales électriques de l’espace fourniront de l’électricité considérablement plus chère que les panneaux solaires ou les éoliennes sur Terre. « Il ne s’agit pas de remplacer l’énergie éolienne et solaire », explique Sanjay Vijendran. « Nous voulons créer une réserve supplémentaire pour les périodes où ces sources ne sont pas disponibles. En même temps, cela réduirait le besoin de stockage à long terme de l’électricité. »

Les plans peuvent être mieux comparés à la tentative de produire de l’énergie par fusion nucléaire. Ce processus est également coûteux et, dans le meilleur des cas, disponible à moyen terme, mais il est toujours en cours. Rien qu’en Allemagne, plus d’un milliard d’euros y sera consacré au cours des cinq prochaines années, en partie parce qu’il faut encore résoudre certaines questions techniques fondamentales.

Cependant, les partisans de l’énergie solaire de l’espace affirment que les aspects techniques sont déjà résolus. « Il n’y a rien qui reste à inventer », déclare Andrew Wilson du laboratoire Advanced Space Concepts de l’Université de Strathclyde en Écosse. Cependant, le transport vers l’espace serait coûteux.

Elon Musk : « La chose la plus stupide qu’on ait vu »

Parmi les critiques du processus, une voix est particulièrement surprenante: celle d’Elon Musk, fondateur de SpaceX, qui a qualifié l’énergie solaire de l’espace de « chose la plus stupide qu’on ait vu ». Si quelqu’un devait être partisan de la production d’énergie solaire dans l’espace, avait déclaré Musk il y a quelques années, c’était bien lui. « J’ai une entreprise de fusées et une entreprise d’énergie solaire. Je devrais être enthousiaste. Mais il est évident que cela ne fonctionnera pas. » Pour Elon Musk, le processus est beaucoup trop inefficace. Selon lui, il serait plus logique d’installer des cellules solaires supplémentaires sur Terre.

Dans deux ans environ, les Européens décideront s’ils poursuivent leurs plans pour générer de l’énergie dans l’espace. Les États membres de l’ESA devront alors voter pour allouer des fonds à une mission de test. Celle-ci pourrait débuter au début de la nouvelle décennie. « Il s’agit de quelque chose qui peut être lancé d’un seul coup et qui n’a pas besoin d’être assemblé dans l’espace », explique le chef de projet Sanjay Vijendran.

Le système qu’il envisage devrait avoir une capacité d’un mégawatt. Les panneaux solaires sur la Station spatiale internationale, qui sont presque aussi grands qu’un demi-terrain de football, ne fournissent actuellement qu’environ 0,2 mégawatt. Cependant, selon les normes terrestres, la production de la future installation de test serait minuscule : les centrales électriques de la ville portuaire allemande de Hambourg ont déjà une capacité installée de près de 600 mégawatts, tandis que celles de Bavière ont une capacité installée de plus de 33 000 mégawatts.

Il est donc possible qu’Elon Musk et les critiques aient finalement raison, et que la production d’énergie à grande échelle dans l’espace soit à nouveau reléguée aux oubliettes.