Il y a un an, le Démonstrateur de l’Energie Solaire Spatiale (SSPD-1) de Caltech a été lancé dans l’espace pour tester trois innovations technologiques clés pour la réalisation de l’énergie solaire spatiale. Aujourd’hui, les ingénieurs célèbrent les succès de cette mission et tirent des leçons précieuses pour l’avenir de l’énergie solaire spatiale.
Le SSPD-1 a démontré la capacité de transmettre de l’énergie sans fil dans l’espace. Il a mesuré l’efficacité, la durabilité et la fonction de différents types de cellules solaires dans l’espace. Il a également permis de tester en conditions réelles la conception d’une structure légère et déployable pour transporter et maintenir les cellules solaires et les émetteurs d’énergie mentionnés ci-dessus.
Avec la fin de la mission du SSPD-1 dans l’espace, les ingénieurs sur Terre célèbrent les succès du banc d’essai et tirent des leçons importantes qui aideront à tracer l’avenir de l’énergie solaire spatiale.
« L’énergie solaire transmise depuis l’espace à des tarifs commerciaux, éclairant le globe, reste une perspective future. Mais cette mission cruciale a démontré que cela devrait être un avenir réalisable », commente Thomas F. Rosenbaum, président de Caltech et professeur de physique.
Le SSPD-1 a été lancé le 3 janvier 2023, à bord d’un vaisseau spatial Momentus Vigoride, dans le cadre du Projet d’Energie Solaire Spatiale de Caltech (SSPP), dirigé par les professeurs Harry Atwater, Ali Hajimiri et Sergio Pellegrino.
Les trois expériences principales du SSPD-1
Le SSPD-1 se compose de trois expériences principales, chacune testant une technologie différente :
DOLCE (Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment) est une structure mesurant 1,8 mètres par 1,8 mètres qui démontre l’architecture novatrice, le schéma d’emballage et les mécanismes de déploiement du vaisseau spatial modulaire évolutif qui constituera finalement une constellation à l’échelle du kilomètre pour servir de station d’énergie.
ALBA demeure une collection de 32 types différents de cellules photovoltaïques (PV) pour permettre une évaluation des types de cellules qui peuvent résister aux environnements spatiaux punitifs.
MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) constitue un réseau d’émetteurs de puissance micro-ondes flexibles et légers basés sur des circuits intégrés personnalisés avec un contrôle précis du temps pour concentrer la puissance de manière sélective sur deux récepteurs différents afin de démontrer la transmission d’énergie sans fil à distance dans l’espace.
Vers un avenir énergétique solaire spatiale ?
« Ce n’est pas que nous n’avons pas déjà de panneaux solaires dans l’espace. Les panneaux solaires sont utilisés pour alimenter la Station Spatiale Internationale, par exemple », déclare Atwater l’un des principaux investigateurs du SSPP. « Mais pour lancer et déployer des réseaux suffisamment grands pour fournir une énergie significative à la Terre, le SSPP doit concevoir et créer des systèmes de transfert d’énergie solaire qui sont ultra-légers, bon marché, flexibles et déployables. »
Description plus en détail des différentes expériences
DOLCE : Déploiement de la structure
Bien que toutes les expériences menées à bord de SSPD-1 aient finalement été couronnées de succès, tout ne s’est pas déroulé comme prévu. Pour les scientifiques et les ingénieurs à la tête de cet effort, cependant, c’était exactement le but recherché. L’environnement d’essai authentique de SSPD-1 a permis d’évaluer chacun des composants et les informations recueillies auront un impact profond sur la conception des futurs champs solaires spatiaux.
Par exemple, au cours du déploiement de DOLCE, qui devait durer trois à quatre jours, l’un des fils reliant les bras diagonaux aux coins de la structure, qui lui permettent de se déployer, s’est accroché. Cela a bloqué le déploiement et endommagé la connexion entre l’un des mâts et la structure.
Le temps pressant, l’équipe a utilisé les caméras de DOLCE ainsi qu’un modèle grandeur nature de DOLCE dans le laboratoire de Pellegrino pour identifier et tenter de résoudre le problème. Ils ont établi que le système endommagé se déploierait mieux s’il était réchauffé directement par le Soleil et par l’énergie solaire réfléchie par la Terre.
Une fois les bômes diagonales déployées et la structure entièrement déroulée, une nouvelle complication est apparue : Une partie de la structure s’est coincée sous le mécanisme de déploiement, ce qui n’avait jamais été observé lors d’essais en laboratoire. Grâce aux images des caméras DOLCE, l’équipe a pu reproduire ce type de blocage en laboratoire et a mis au point une stratégie pour y remédier. En fin de compte, Pellegrino et son équipe ont achevé le déploiement grâce à un mouvement des actionneurs de DOLCE qui a fait vibrer l’ensemble de la structure et a permis de débloquer le blocage. Selon M. Pellegrino, les enseignements tirés de cette expérience serviront de base au prochain mécanisme de déploiement.
“L’essai dans l’espace a démontré la robustesse du concept de base, ce qui nous a permis de réussir le déploiement malgré deux anomalies“, explique M. Pellegrino, titulaire de la chaire Joyce et Kent Kresa de génie aérospatial et civil et codirecteur du SSPP. “Le processus de dépannage nous a permis d’acquérir de nouvelles connaissances et de nous concentrer sur la connexion entre notre structure modulaire et les flèches diagonales. Nous avons développé de nouvelles méthodes pour contrer les effets du poids propre dans les structures déployables ultralégères“.
ALBA : récupérer l’énergie solaire
Pendant ce temps, les performances photovoltaïques de trois catégories entièrement nouvelles de cellules solaires ultralégères de qualité recherche, dont aucune n’avait jamais été testée en orbite auparavant, ont été mesurées au cours de plus de 240 jours de fonctionnement par l’équipe ALBA, sous la direction de M. Atwater. Certaines des cellules solaires ont été fabriquées sur mesure à l’aide des installations des laboratoires SSPP et du Kavli Nanoscience Institute (KNI) de Caltech, ce qui a permis à l’équipe de disposer d’un moyen fiable et rapide de préparer de petits dispositifs de pointe pour le vol.
À l’avenir, l’équipe prévoit de tester des cellules de grande surface fabriquées à l’aide de méthodes de fabrication peu coûteuses et hautement évolutives qui peuvent réduire considérablement la masse et le coût de ces cellules solaires spatiales.
Les cellules solaires spatiales actuellement disponibles dans le commerce sont généralement 100 fois plus chères que les cellules et modules solaires largement déployés sur Terre. Cela s’explique par le fait que leur fabrication fait appel à une étape coûteuse appelée croissance épitaxiale, qui consiste à faire croître des films cristallins dans une orientation spécifique sur un substrat. L’équipe du SSPP a réussi à fabriquer des cellules spatiales non épitaxiées à faible coût en utilisant des procédés de production bon marché et évolutifs comme ceux utilisés pour fabriquer les cellules solaires en silicium d’aujourd’hui. Ces procédés utilisent des matériaux semi-conducteurs composés à haute performance, tels que l’arséniure de gallium, qui sont généralement utilisés pour fabriquer des cellules spatiales à haut rendement aujourd’hui.
L’équipe a également testé des cellules en pérovskite, qui ont attiré l’attention des fabricants de produits solaires parce qu’elles sont bon marché et flexibles, ainsi que des concentrateurs solaires luminescents susceptibles d’être déployés dans de grandes feuilles de polymères flexibles.
Pendant la durée de vie d’ALBA, l’équipe a recueilli suffisamment de données pour pouvoir observer les changements dans le fonctionnement des cellules individuelles en réponse aux événements météorologiques spatiaux tels que les éruptions solaires et l’activité géomagnétique. Elle a constaté, par exemple, une grande variabilité dans les performances des cellules en pérovskite, alors que les cellules en arséniure de gallium, peu coûteuses, ont toujours donné de bons résultats dans l’ensemble.
“SSPP nous a donné une occasion unique d’amener les cellules solaires directement du laboratoire de Caltech en orbite, accélérant ainsi les essais dans l’espace qui auraient normalement pris des années. Ce type d’approche a permis de raccourcir considérablement la durée du cycle d’innovation pour la technologie solaire spatiale“, explique M. Atwater.
MAPLE : transfert d’énergie sans fil dans l’espace
Enfin, comme annoncé en juin, MAPLE a démontré sa capacité à transmettre de l’énergie sans fil dans l’espace et à diriger un faisceau vers la Terre – une première dans ce domaine. Les expériences MAPLE se sont poursuivies pendant huit mois après les démonstrations initiales, et dans ce travail ultérieur, l’équipe a poussé MAPLE jusqu’à ses limites pour exposer et comprendre ses faiblesses potentielles afin que les leçons tirées puissent être appliquées à la conception future.
L’équipe a comparé les performances du réseau au début de la mission avec ses performances à la fin de la mission, lorsque MAPLE a été intentionnellement sollicité. Une baisse de la puissance totale transmise a été observée. De retour au laboratoire sur Terre, le groupe a reproduit la baisse de puissance, l’attribuant à la dégradation de quelques éléments de transmission individuels dans le réseau ainsi qu’à des interactions électriques-thermiques complexes dans le système.
“Ces observations ont déjà conduit à des révisions dans la conception de divers éléments de MAPLE afin de maximiser ses performances sur de longues périodes de temps“, déclare Hajimiri, professeur Bren d’ingénierie électrique et d’ingénierie médicale et codirecteur de SSPP. “Les essais dans l’espace avec SSPD-1 nous ont permis de mieux cerner nos zones d’ombre et d’avoir davantage confiance en nos capacités.“
SSPP : aller de l’avant
Le SSPP a vu le jour après que le philanthrope Donald Bren, président de la société Irvine et membre à vie de la communauté de Caltech, a pris connaissance du potentiel de fabrication d’énergie solaire dans l’espace, alors qu’il était jeune homme, dans un article paru dans le magazine Popular Science. Intrigué par le potentiel de l’énergie solaire dans l’espace, M. Bren a contacté Jean-Lou Chameau, alors président de Caltech, en 2011 pour discuter de la création d’un projet de recherche sur l’énergie solaire dans l’espace. Dans les années qui ont suivi, M. Bren et son épouse, Brigitte Bren, membre du conseil d’administration de Caltech, ont accepté de faire une série de dons (pour un engagement total de plus de 100 millions de dollars) par l’intermédiaire de la Fondation Donald Bren afin de financer le projet et de doter un certain nombre de chaires de Caltech.
“Le travail acharné et le dévouement des brillants scientifiques de Caltech ont fait avancer notre rêve de fournir au monde une énergie abondante, fiable et abordable pour le bénéfice de toute l’humanité“, indique Donald Bren.
Outre le soutien apporté par les Brens, Northrop Grumman Corporation a versé 12,5 millions de dollars à Caltech entre 2014 et 2017 dans le cadre d’un accord de recherche parrainé qui a contribué au développement de la technologie et à l’avancement de la science du projet.
La mission de SSPD-1 s’achevant, le banc d’essai a cessé de communiquer avec la Terre le 11 novembre. Le véhicule Vigoride-5 qui hébergeait SSPD-1 restera en orbite pour poursuivre les essais et les démonstrations des moteurs du propulseur électrothermique à micro-ondes du véhicule qui utilisent de l’eau distillée comme agent propulseur. Le véhicule sera finalement désorbité et désintégré dans l’atmosphère terrestre.
Pendant ce temps, l’équipe SSPP poursuit son travail en laboratoire, étudiant les résultats de SSPD-1 afin d’identifier les prochains défis de recherche fondamentale à relever dans le cadre du projet.
[ Rédaction ]
