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Fais-le descendre
Dans l'espace, le soleil brille toujours de mille feux. Aucun nuage ne bloque les rayons solaires, et il n'y a pas de nuit. Des capteurs solaires montés sur un satellite en orbite produiraient ainsi de l'électricité 24 heures sur 24, 365 jours par an. Si cette puissance pouvait être transmise à la terre, alors les problèmes énergétiques du monde pourraient être résolus pour toujours.
Les satellites à énergie solaire (SPS) ont été initialement proposés comme solution aux crises pétrolières des années 1970 par l'ingénieur tchéco-américain Peter Glaser, alors chez Arthur D. Little. Glaser a imaginé des réseaux de cellules solaires de 50 kilomètres carrés déployés sur des satellites en orbite à 36 000 kilomètres au-dessus de points fixes le long de l'équateur. Un satellite à cette altitude géosynchrone met 24 heures pour orbiter autour de la terre et reste ainsi fixe sur le même point sur terre tout le temps.
L'idée était élégante. Les cellules photovoltaïques d'un satellite convertiraient la lumière du soleil en courant électrique qui, à son tour, alimenterait un générateur de micro-ondes embarqué. Le faisceau de micro-ondes voyagerait à travers l'espace et l'atmosphère. Au sol, un réseau d'antennes de redressement, ou rectennas, collecterait ces micro-ondes et extrairait l'énergie électrique, soit pour une utilisation locale, soit pour la distribution via les réseaux électriques conventionnels.
La technologie, telle qu'elle était envisagée à l'origine, posait des obstacles techniques de taille. Le transfert efficace de l'énergie électrique à partir d'un satellite en orbite géosynchrone nécessiterait une antenne d'émission à bord du satellite d'environ un kilomètre de diamètre et une antenne de réception au sol d'environ 10 kilomètres de diamètre. Un projet de cette envergure dépasse l'entendement ; les agences de financement gouvernementales ont hésité à investir des sommes immenses dans un projet dont la viabilité était si incertaine. La NASA et le ministère de l'Énergie, qui avaient parrainé les études de conception préliminaire, se sont désintéressés à la fin des années 1970.
Au cours des dernières années, cependant, l'industrie des communications a annoncé des projets de satellites qui suggèrent que le moment est venu de revoir l'idée des satellites d'énergie solaire. Au début du siècle prochain, des essaims de satellites de communication orbiteront autour de la terre à basse altitude, relayant la voix, la vidéo et les données vers les endroits les plus reculés de la planète. Ces satellites relayeront les signaux de communication vers la terre sur des faisceaux de micro-ondes. La transmission d'énergie électrique avec un faisceau de micro-ondes a été démontrée dès 1963, et la projection de puissance et de données le long du même faisceau de micro-ondes est tout à fait dans l'état de l'art. Pourquoi ne pas utiliser le même faisceau pour transporter l'énergie électrique ?
Les nouveaux satellites de communication orbiteront à une altitude de quelques centaines de milles seulement. Au lieu de planer au-dessus d'un point de l'équateur, les satellites en orbite basse parcourent le globe en aussi peu que 90 minutes, traçant des trajectoires qui oscillent autour de l'équateur, montant et plongeant jusqu'à 86 degrés de latitude. Parce qu'ils sont plus proches de la surface de la Terre, les capteurs solaires du satellite peuvent mesurer quelques centaines de mètres au lieu de 10 kilomètres. Et parce que les faisceaux de micro-ondes qu'ils génèrent s'étendraient beaucoup moins que ceux des satellites géosynchrones, les rectennas au sol pourraient également être plus petites et moins chères. En s'appuyant sur ces flottes de satellites de communication - et en tirant parti de leurs émetteurs et récepteurs micro-ondes, stations au sol et systèmes de contrôle - la technologie de l'énergie solaire peut devenir économiquement viable.
L'orbite terrestre basse pose cependant ses propres difficultés. Parce qu'ils tournent si rapidement autour de la planète, les satellites en orbite basse doivent posséder des systèmes sophistiqués contrôlés par ordinateur pour ajuster la visée du faisceau de micro-ondes afin qu'il atterrisse à la station de réception. Ces satellites devront utiliser des systèmes électroniques sophistiqués, appelés réseaux phasés, pour recibler en permanence le faisceau sortant.
Énergie pour le développement
La demande d'énergie solaire spatiale pourrait être extraordinaire. D'ici 2050, selon certaines estimations, 10 milliards de personnes habiteront le globe, dont plus de 85 % dans les pays en développement. La grande question : comment pouvons-nous répondre au mieux aux besoins énergétiques croissants de l'humanité avec le moins d'impact négatif sur l'environnement ?
À la recherche d'un lancement pas cher
Une considération importante dans la planification de la puissance spatiale est le coût de la mise en orbite d'un satellite. À l'heure actuelle, il en coûte mille fois plus pour envoyer un objet dans l'espace que pour le faire voler à travers le pays en avion de ligne commercial, même si les deux emplois nécessitent à peu près la même quantité d'énergie, soit environ 10 kilowattheures par kilogramme de charge utile. Deux facteurs expliquent le surcoût : l'armée d'ingénieurs et de scientifiques requise pour un lancement spatial réussi, et la pratique consistant à jeter une grande partie du véhicule de lancement après chaque vol.
Cependant, les coûts de lancement sont susceptibles de baisser à mesure que la demande augmente pour le levage régulier de grands volumes de matériel dans l'espace : plus un système de lancement est utilisé fréquemment, plus le coût par utilisation est faible. Par ailleurs, la NASA recherche une nouvelle génération de lanceurs réutilisables. L'agence a récemment parrainé un concours parmi les entrepreneurs en aérospatiale pour un véhicule spatial ayant le potentiel d'être exploité comme une compagnie aérienne. Le gagnant était Lockheed Martin Skunk Works, des innovateurs légendaires dans la conception d'avions, du U-2 au chasseur Stealth. Lockheed Martin prévoit de construire et de tester le X-33 réutilisable en forme de coin d'un milliard de dollars - une version demi-taille, un huitième de masse d'un lanceur appelé Venture Star qui remplacerait la navette spatiale pour transporter des marchandises en orbite basse. Le coût de lancement cible est de 2 200 $ par kilogramme, soit un dixième de celui d'un lancement de navette. À ce prix, l'énergie spatiale pourrait devenir rentable si les satellites remplissaient une double fonction en tant que relais de communication et sources d'énergie solaire.
Un satellite solaire devrait rapidement restituer l'énergie nécessaire à sa mise en orbite. Partez de l'hypothèse prudente selon laquelle la technologie des satellites à énergie solaire produirait 0,1 kilowatt d'électricité au sol par kilogramme de masse en orbite. Dans ce cas, la dépense énergétique de 10 kilowattheures par kilogramme pour mettre le satellite en orbite serait remboursée en électricité au bout de 100 heures seulement, soit moins de cinq jours.
Une façon de réduire les coûts de lancement est d'utiliser une structure gonflable comme capteur solaire. Cela maximiserait la surface du collecteur, importante pour recueillir la plus grande quantité d'énergie solaire, sans imposer une charge de poids importante au lanceur. Les capteurs solaires dégonflés pourraient être pliés dans un espace compact à bord du vaisseau spatial ; une fois en orbite, le gaz d'un conteneur sous pression gonflerait la structure.
Les ballons dans l'espace sont une vieille histoire. En fait, le satellite vintage de 1960 connu sous le nom d'Echo I était un ballon utilisé pour renvoyer les ondes radio vers la Terre. La NASA étudie actuellement la faisabilité de structures gonflables dans l'espace pour les antennes, les parasols et les panneaux solaires, mais pas explicitement pour les systèmes de satellites à énergie solaire. Une étape expérimentale importante a été le déploiement réussi par les astronautes de la navette spatiale Endeavour en mai 1996 de l'expérience d'antenne gonflable Spartan, une antenne de 14 mètres gonflée par une cartouche d'azote gazeux en orbite.
Il n'y a pas un si grand pas entre une telle expérience et un satellite collecteur solaire qui pourrait être assemblé en orbite à partir de segments gonflés. Si la NASA faisait de la recherche sur les structures spatiales gonflables une priorité élevée, la base de connaissances permettant de fabriquer des satellites de faible puissance rentables pourrait évoluer rapidement.
Un pas après l'autre
Au début, l'énergie solaire relayée depuis l'espace ne serait utilisée que pour fournir l'énergie électrique minimale nécessaire pour faire fonctionner l'électronique de la station de réception au sol, de la même manière que le courant de ligne alimente les téléphones conventionnels. En fin de compte, les satellites transmettraient de plus grandes quantités d'énergie, ce qui pourrait fournir les mégawatts d'électricité qui contribueraient considérablement à alimenter un village ou même une ville.
La mise à l'échelle à des niveaux de puissance plus élevés serait simple, impliquant simplement le déploiement d'une plus grande quantité de zone de collecte solaire dans l'espace. L'électricité serait transmise par l'infrastructure d'émetteurs et de récepteurs qui seraient alors en place pour les systèmes de communication par satellite. À cet égard, la transmission par micro-ondes a un avantage décisif sur les méthodes conventionnelles de transmission de puissance par câble. Un système à micro-ondes efficace à 80 pour cent pour envoyer 1 kilowatt sera toujours efficace à 80 pour cent pour envoyer 1 mégawatt. Ceci est fondamentalement différent d'une ligne de transport d'électricité, où vous avez besoin de fils plus épais et plus coûteux pour transporter plus de puissance. Si trop de puissance est transmise à un câble, cela fera fondre l'isolation.
Certains craignent qu'un réseau de satellites à énergie solaire ne transforme l'atmosphère en un grand four à micro-ondes, cuisant tout ce qui se trouve sur la trajectoire du faisceau. En réalité, les intensités micro-ondes que nous proposons seraient des ordres de grandeur inférieurs au seuil à partir duquel les objets commencent à se réchauffer. Les gens seraient exposés à des niveaux de micro-ondes comparables à ceux des fours à micro-ondes et des téléphones portables. Alors que certains critiques spéculent que les micro-ondes constituent des menaces non thermiques pour la santé humaine, il n'existe aucune preuve épidémiologique fiable des effets néfastes des micro-ondes à ces faibles niveaux. Des niveaux plus élevés de rayonnement micro-ondes seraient trouvés au niveau des rectennas sur lesquelles les faisceaux sont concentrés, mais des clôtures et des panneaux d'avertissement pourraient délimiter ces zones de danger potentiel. Mais selon nos calculs, les intensités des micro-ondes, même au périmètre de la rectenna, se situeraient dans la plage désormais considérée comme sûre par l'Occupational Safety and Health Administration.
Un problème potentiel plus important est celui du partage des fréquences limitées dans le spectre des micro-ondes. Motorola a été critiqué, par exemple, parce que son système prévu utilisera des fréquences comprises entre 1,616 et 1,626 gigahertz, ce qui chevauche presque la fréquence de 1,612 gigahertz sur laquelle les astrophysiciens s'accordent lorsqu'ils collectent des données sur le cosmos. Les radioastronomes craignent que les interférences d'un satellite solaire ne submergent les signaux relativement faibles qu'ils cherchent à détecter. Motorola promet de limiter le débordement de ses faisceaux de communication dans la niche de fréquence des radioastronomes, mais le problème souligne le fait que le spectre des micro-ondes est une ressource limitée jalousement gardée par les utilisateurs commerciaux et à but non lucratif. L'attribution du spectre doit être traitée rapidement et efficacement pour éviter la préemption de la technologie de l'énergie spatiale avant sa naissance.
La question de savoir si les satellites d'énergie solaire deviendront une réalité dépendra en fin de compte de la volonté des entreprises de télécommunications et de services publics d'électricité d'entrer dans le secteur de l'énergie spatiale. Jusqu'à présent, aucune des deux industries n'a manifesté beaucoup d'intérêt. Mais alors, ils ignorent pour la plupart les possibilités commerciales. Il faut savoir qu'il existe une option pour le choisir. Il y a trente ans, les satellites de communication étaient une nouveauté. Il y a dix ans, personne n'avait entendu parler d'Internet.
Ce qui est certain, c'est que la poussée actuelle pour la déréglementation a conduit à une ruée de la part des industries des télécommunications, de l'informatique, de la télévision par câble et des services publics pour entrer sur les marchés des autres. Certaines compagnies d'électricité veulent entrer dans le secteur des télécommunications afin de capitaliser sur l'énorme investissement en fils et câbles qui atteint pratiquement tous les bâtiments du pays. Il est tout aussi logique de proposer que les entreprises de communication entrent dans le secteur de l'électricité. Dans la pratique, des consortiums d'entreprises d'électricité et de communications pourraient développer ensemble la technologie proposée.
Aucun élément de cette technologie ne constitue une pierre d'achoppement fondamentale. La physique des cellules photovoltaïques et la génération de micro-ondes sont bien comprises. Pour passer à l'étape suivante, cependant, il faudra une démonstration que toutes les pièces de ce système peuvent fonctionner ensemble : les panneaux solaires, les antennes micro-ondes multiéléments, les stations de réception qui séparent les signaux de données des faisceaux de puissance, et le des ordinateurs qui indiquent aux satellites où au sol diriger les faisceaux. La NASA pourrait accélérer considérablement ce développement en plaçant sur orbite un prototype de satellite à énergie solaire.
Les avantages sont trop importants pour être écartés. Un réseau de satellites solaires comme celui que nous proposons pourrait fournir à la Terre 10 à 30 000 milliards de watts d'énergie électrique, suffisamment pour satisfaire les besoins de la race humaine au cours du siècle prochain. Les satellites solaires offrent ainsi une vision dans laquelle la production d'énergie s'éloigne de la surface de la terre, permettant à chacun de vivre sur une planète plus verte. Considérez les implications philosophiques : plus besoin que l'humanité se voie piégée sur un vaisseau spatial avec des ressources limitées. Nous pourrions exploiter les ressources illimitées de l'espace, la planète étant préservée comme une ressource inestimable de biodiversité.