Des scientifiques envoient de l'énergie solaire de l'espace à la Terre lors d'une première mondiale : ScienceAlert

May 06, 2023

L'énergie solaire est la forme d'énergie renouvelable qui connaît la croissance la plus rapide et représente actuellement 3,6 % de la production mondiale d'électricité. Cela en fait la troisième plus grande source du marché des énergies renouvelables, suivi de l'hydroélectricité et de l'éolien.

Ces trois méthodes devraient connaître une croissance exponentielle au cours des prochaines décennies, atteignant 40 % d'ici 2035 et 45 % d'ici 2050. Au total, les énergies renouvelables devraient représenter 90 % du marché de l'énergie d'ici le milieu du siècle, l'énergie solaire représentant environ la moitié.

Cependant, plusieurs défis et problèmes techniques doivent être surmontés pour que cette transition se produise.

Le principal facteur limitant de l'énergie solaire est l'intermittence, ce qui signifie qu'elle ne peut collecter de l'énergie que lorsque suffisamment de lumière solaire est disponible. Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont passé des décennies à rechercher l'énergie solaire spatiale (SBSP), où les satellites en orbite collecteraient de l'énergie 24 heures sur 24, 365 jours par an, sans interruption.

Pour développer la technologie, les chercheurs du Space Solar Power Project (SSPP) de Caltech ont récemment achevé le premier transfert d'énergie sans fil réussi à l'aide du Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment (MAPLE).

MAPLE a été développé par une équipe Caltech dirigée par Ali Hajimiri, professeur Bren de génie électrique et de génie médical et codirecteur du SSPP. MAPLE est l'une des trois technologies clés testées par le Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1).

Cette plate-forme se compose d'un ensemble d'émetteurs micro-ondes flexibles et légers contrôlés par des puces électroniques personnalisées. Le démonstrateur a été construit à l'aide de technologies au silicium à faible coût conçues pour récolter l'énergie solaire et la transmettre aux stations de réception souhaitées dans le monde entier.

Le SSPP a débuté en 2011 lorsque Donald Bren, membre à vie du conseil d'administration de Caltech, a approché le président de Caltech, Jean-Lou Chameau, pour discuter de la création d'un projet de recherche SBSP.

Bren et sa femme (également administrateur de Caltech) ont accepté de donner un total de 100 millions de dollars pour financer le projet, tandis que la Northrop Grumman Corporation a fourni 12,5 millions de dollars supplémentaires. Le SSPD-1 a été lancé le 3 janvier au sommet d'un SpaceX Falcon 9 dans le cadre d'un programme de covoiturage et a été déployé par un vaisseau spatial Vigoride (fourni par la société aérospatiale Momentus).

Pour que le SBSP soit réalisable, les satellites doivent être légers afin qu'ils puissent être lancés de manière rentable et flexibles afin qu'ils puissent s'adapter à l'intérieur des carénages de charge utile (similaire au télescope spatial James Webb (JWST).

Harry Atwater, titulaire de la chaire de leadership Otis Booth de la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées, professeur Howard Hughes de physique appliquée et de science des matériaux et directeur de la Liquid Sunlight Alliance, est l'un des principaux chercheurs du projet. Comme il l'a expliqué dans un communiqué de presse de Caltech :

"La démonstration du transfert d'énergie sans fil dans l'espace à l'aide de structures légères est une étape importante vers l'énergie solaire spatiale et un large accès à celle-ci à l'échelle mondiale. Des panneaux solaires sont déjà utilisés dans l'espace pour alimenter la Station spatiale internationale, par exemple, mais pour lancer et déployer suffisamment grande pour fournir de l'énergie à la Terre, SSPP doit concevoir et créer des systèmes de transfert d'énergie solaire ultra-légers, bon marché et flexibles. »

Chaque unité SSPP pèse environ 50 kilogrammes (110 livres), ce qui est comparable aux microsatellites qui pèsent généralement entre 10 et 100 kg (22 à 220 livres). Chaque unité se plie en paquets d'environ 1 m3 (35 pi3) de volume, puis se déploie en un carré plat mesurant environ 50 m (164 pi) de diamètre, avec des cellules solaires d'un côté et des émetteurs de puissance sans fil de l'autre.

Les composants du SPPD-1 ne sont pas scellés, ce qui signifie qu'ils sont exposés aux variations extrêmes de température de l'espace. Au-delà de la démonstration que les émetteurs de puissance peuvent survivre au lancement dans l'espace, l'expérience a fourni des informations utiles aux ingénieurs du SSPP.

"Grâce aux expériences que nous avons menées jusqu'à présent, nous avons reçu la confirmation que MAPLE peut transmettre avec succès de l'énergie à des récepteurs dans l'espace", a déclaré Hajimiri.

"Nous avons également pu programmer le réseau pour qu'il dirige son énergie vers la Terre, ce que nous avons détecté ici à Caltech. Nous l'avions bien sûr testé sur Terre, mais nous savons maintenant qu'il peut survivre au voyage dans l'espace et y fonctionner. ."

Le démonstrateur n'a pas de pièces mobiles et s'appuie sur des interférences constructives et destructives entre les antennes de transmission pour déplacer le foyer et la direction de l'énergie rayonnée. Ces antennes sont regroupées en groupes de 16, chacune pilotée par une puce de circuit intégré flexible sur mesure.

Ils s'appuient également sur des éléments de contrôle de synchronisation précis et sur l'ajout cohérent d'ondes électromagnétiques pour garantir que l'énergie rayonnée atteint la cible visée. Deux réseaux de récepteurs sont positionnés à environ 30 cm (1 pied) des antennes de transmission qui convertissent l'énergie solaire en courant continu (DC).

Ceci est utilisé pour alimenter une paire de lumières LED, démontrant la séquence complète de transmission d'énergie sans fil. MAPLE l'a démontré avec succès en allumant chaque LED individuellement et en passant d'une LED à l'autre.

MAPLE comprend également une petite fenêtre à travers laquelle le réseau peut diffuser de l'énergie, qui a été détectée par un récepteur du laboratoire d'ingénierie Gordon et Betty Moore de Caltech. Ce signal a été reçu à l'heure et à la fréquence attendues et avait le décalage de fréquence prévu en fonction de son orbite.

"A notre connaissance, personne n'a jamais démontré de transfert d'énergie sans fil dans l'espace, même avec des structures rigides coûteuses", a déclaré Hajimiri. "Nous le faisons avec des structures légères flexibles et avec nos propres circuits intégrés. C'est une première."

L'équipe évalue actuellement les performances des éléments individuels du système en testant les schémas d'interférence de petits groupes et en mesurant la différence entre les combinaisons. Ce processus pourrait prendre jusqu'à six mois, ce qui donnerait à l'équipe suffisamment de temps pour détecter les irrégularités et développer des solutions pour informer la prochaine génération de satellites solaires.

En plus de MAPLE, le SSPD-1 porte deux autres expériences principales. Il s'agit de la Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment (DOLCE), une structure de 1,8 x 1,8 mètres (6 x 6 pieds) conçue pour déployer de petits engins spatiaux modulaires, et ALBA, une série de 32 types différents de cellules photovoltaïques pour tester lesquelles sont les plus efficaces dans l'espace.

Les tests ALBA sont en cours alors que DOLCE n'a pas encore été déployé, et les résultats de ces expérimentations sont attendus dans les mois à venir. Pendant ce temps, les résultats de l'expérience MAPLE sont très encourageants et démontrent que les principales technologies SBSP sont réalisables. Dit Hajimiri :

"De la même manière qu'Internet a démocratisé l'accès à l'information, nous espérons que le transfert d'énergie sans fil démocratise l'accès à l'énergie. Aucune infrastructure de transmission d'énergie ne sera nécessaire au sol pour recevoir cette énergie. Cela signifie que nous pouvons envoyer de l'énergie dans des régions et des zones éloignées. dévasté par la guerre ou une catastrophe naturelle."

SBSP a le potentiel de produire huit fois plus d'énergie que les panneaux solaires situés à la surface de la Terre. Lorsque le projet sera pleinement réalisé, Caltech espère déployer une constellation de vaisseaux spatiaux modulaires qui collecteront l'énergie solaire, la transformeront en électricité et la convertiront en micro-ondes pouvant être transmises sans fil partout dans le monde.

En plus d'aider à la transition vers une énergie propre et renouvelable, il a également le potentiel d'élargir l'accès pour les communautés mal desservies. Le président de Caltech, Thomas F. Rosenbaum, a déclaré :

"La transition vers les énergies renouvelables, critique pour l'avenir du monde, est aujourd'hui limitée par les défis du stockage et de la transmission de l'énergie. Le rayonnement solaire depuis l'espace est une solution élégante qui s'est rapprochée de la réalisation grâce à la générosité et à la prévoyance des Brens. Donald Bren a présenté un formidable défi technique qui promet un gain remarquable pour l'humanité : un monde alimenté par une énergie renouvelable ininterrompue."

Cet article a été initialement publié par Universe Today. Lire l'article d'origine.