De l'électricité solaire venue de l'espace

Le soleil fournit à la Terre bien plus d'énergie que l'humanité n'en a besoin. Cependant, sa lumière n'atteint pas toujours le sol partout : la nuit, l'énergie photovoltaïque est totalement inexistante, les nuages affaiblissent son rendement et, dans des pays comme la Suisse, elle produit relativement peu d'électricité en hiver. Pourquoi donc ne pas capter l'énergie solaire là où ni les nuages ni l'alternance du jour et de la nuit ne viennent la perturber – dans l'espace ?

L’idée de ces centrales solaires spatiales, appelées en anglais « Space-Based Solar Power » (SBSP), remonte à environ un demi-siècle. Pour simplifier, d’énormes installations solaires en orbite transformeraient la lumière du soleil en courant électrique. Celui-ci serait ensuite converti en micro-ondes, concentré puis envoyé vers la Terre, où des antennes réceptrices le retransformeraient en électricité utilisable.

« Le principal avantage serait une production d’énergie quasi ininterrompue », explique Christophe Ballif, professeur à l’EPFL et fondateur des activités photovoltaïques du centre de recherche CSEM à Neuchâtel. Selon la plupart des concepts, ces installations tourneraient autour de la Terre à une altitude d’environ 36 000 kilomètres. Elles resteraient ainsi constamment au-dessus du même point de la surface terrestre et seraient exposées au soleil de manière quasi ininterrompue. Ce n’est qu’à certains moments qu’elles se retrouveraient brièvement dans l’ombre de la Terre. De plus, à une telle altitude, l’intensité solaire est supérieure de 36 % à celle observée au sol – et il n’y a pas de nuages.

Des cellules solaires plus performantes et moins chères

Toutes les grandes agences spatiales s’intéressent aujourd’hui au projet SBSP et disposent de premiers concepts. En effet, bon nombre des technologies qui seraient nécessaires à de telles centrales spatiales sont déjà bien développées. Les satellites et les engins spatiaux, par exemple, sont alimentés en électricité par des panneaux solaires depuis des décennies. Actuellement, on utilise principalement des cellules solaires multicouches issues de semi-conducteurs dits « III-V ». Plusieurs couches de semi-conducteurs superposées exploitent chacune des longueurs d’onde différentes de la lumière solaire, ce qui permet d’atteindre des rendements supérieurs à 30 %.

Pour les grandes centrales solaires, ces cellules ne seraient toutefois guère adaptées, explique M. Ballif. Elles seraient environ mille fois plus chères que les cellules solaires terrestres à base de silicium ; de plus, les éléments nécessaires à leur fabrication, tels que le gallium et le germanium, ne sont pas disponibles en quantité illimitée. C’est pourquoi on s’intéresse de plus en plus à des alternatives moins coûteuses – comme les cellules en silicium, qui présentent toutefois un rendement inférieur et sont sensibles au rayonnement spatial. Selon M. Ballif, il existe toutefois des solutions pour améliorer la résistance de ces cellules. « Par exemple, grâce à des plaquettes plus fines ou à des couches à partir desquelles l’hydrogène migre vers la cellule solaire et y répare en partie les défauts causés par le rayonnement. »

L’équipe de M. Ballif est spécialisée dans le développement de cellules solaires ultra-minces, ultra-légères et à haut rendement. Les chercheurs ont ainsi récemment publié une étude sur une cellule triple pérovskite-pérovskite-silicium présentant un rendement de 30 %. « Cela ouvre la possibilité d’atteindre les performances des cellules III-V – mais au coût des cellules solaires terrestres classiques », explique M. Ballif. En collaboration avec la start-up HelioW Space, le CSEM étudie le potentiel des cellules en pérovskite pour des applications spatiales.

Des dizaines de lancements de fusées nécessaires

Une cellule solaire performante ne suffit toutefois pas à elle seule à constituer une centrale spatiale. D’autant plus que ces installations devront à terme produire une puissance comparable à celle d’une centrale nucléaire suisse. Pour cela, il faudrait une surface solaire de plusieurs kilomètres carrés et un poids de plusieurs milliers de tonnes, explique Arthur Woods, fondateur de l’entreprise suisse Astrostrom et défenseur de longue date de l’énergie solaire spatiale. Ces installations devraient être lancées en plusieurs parties, assemblées en orbite, orientées et entretenues pendant des décennies. À cela s’ajouteraient des émetteurs, des composants électroniques de puissance, et, sur Terre, une « rectenna » serait nécessaire : un champ d’antennes pouvant atteindre 30 kilomètres carrés, qui capterait les micro-ondes et les convertirait en courant continu.

Pour M. Woods, la logistique constitue le principal obstacle. « Les technologies nécessaires aux SBSP existent en principe », explique-t-il. « Le grand défi consiste à mettre en orbite et à assembler des structures d’une telle envergure. » Une centrale spatiale pourrait nécessiter des dizaines, voire plus d’une centaine de lancements d’un très gros lanceur. La question reste ouverte de savoir si des capacités de lancement aussi importantes seront un jour disponibles et si les coûts de transport deviendront suffisamment bas pour que cet effort soit rentable.

Il n’existe pas non plus, à ce jour, de démonstration de faisabilité concernant le transport de l’énergie vers la Terre. Les micro-ondes sont considérées comme la solution privilégiée, car elles traversent relativement bien les nuages et l’atmosphère. Mais la chaîne de conversion s’accompagne de pertes de puissance considérables : Woods estime que, pour une installation captant une puissance solaire de l’ordre de sept gigawatts, environ un gigawatt arriverait sous forme d’électricité sur Terre.

Obstacles et possibilités

Il n’en reste pas moins convaincu que l’énergie solaire spatiale pourrait, à long terme, apporter une contribution importante à l’approvisionnement énergétique. Avec Astrostrom, il poursuit même un concept qui relève de la science-fiction : à long terme, l’idée est que certaines parties des centrales solaires soient produites à partir de matières premières lunaires. La Lune n’ayant qu’environ un sixième de la gravité terrestre, il serait moins coûteux de transporter des composants depuis là-bas vers l’espace que depuis la Terre. Le business plan de Woods prévoit certes la mise en œuvre d’un tel système d’ici 2045. Mais il est conscient que cela nécessiterait d’énormes investissements et développements.

Christophe Ballif voit lui aussi de grands obstacles pour ces centrales solaires spatiales futuristes. « Des installations solaires légères et résistantes, un transport efficace vers la Terre, ainsi que la durée de vie et les coûts de l’ensemble du système constitueront des défis colossaux », déclare-t-il. Il met également en garde contre le fait de miser sur des technologies encore totalement incertaines : « Nous devons d’abord investir sur Terre dans l’énergie solaire, l’éolien et les batteries à bas coût afin de décarboner notre système énergétique. » Cela n’exclut pas pour autant la poursuite des recherches sur des approches telles que le SBSP – mais l’énergie solaire spatiale ne doit en aucun cas se substituer aux mesures terrestres.

Néanmoins, des opportunités intéressantes pourraient s’ouvrir pour la Suisse : en effet, pour les prochaines années, les agences spatiales, mais aussi des start-ups, prévoient de mener les premières démonstrations visant à produire de l’énergie dans l’espace et à la transmettre de manière contrôlée vers la Terre. Les universités et les entreprises technologiques suisses pourraient, grâce à leurs compétences en robotique, en électronique haute performance ou en mécanique de précision, apporter des éléments essentiels à de tels projets.

Et qui sait, dit Arthur Woods, si la faisabilité et la rentabilité des SBSP se concrétisent, une combinaison de logistique, de financement et de volonté politique pourrait soudainement donner l’élan nécessaire.