Aller récupérer l'énergie du Soleil là où elle rayonne sans limite et en tirer une fantastique manne électrique : loin d'être délirante, l'idée est étudiée très sérieusement. À la clé ? Des centrales solaires qui orbiteraient autour de la Terre !

Là-haut dans l'espace, au-dessus de l'équateur, un gigantesque vaisseau déploie majestueusement ses panneaux solaires : 4000 m² de gréement lumineux, une voilure 1600 fois plus étendue que celle de la Station spatiale internationale... Sous cette ombrelle pharaonique, une batterie de télescopes pointe vers la Terre. Mission : délivrer aux Terriens, à 36 000 km de là, un gigawatt de puissance électrique, l'équivalent d'un réacteur nucléaire moyen. Un rêve digne de Stanley Kubrick ? Nullement. Il s'agit d'un projet des plus sérieux, présenté en septembre 2009 par l'agence spatiale japonaise, la Jaxa, et ses partenaires industriels, Mitsubishi et IHI. D'ailleurs, l'année de lancement prévue est 2030, c'est-à-dire demain. Et le Japon n'est pas seul dans cette conquête de l'énergie dans l'espace. En janvier dernier, EADS Astrium, constructeur européen d'Ariane, s'est dit intéressé par la construction d'un démonstrateur de 20 kilowatts pour 2020. D'autres initiatives naissent aussi aux Etats-Unis. Après des décennies de projets inaboutis, le ciel de l'énergie solaire spatiale semble donc se dégager.

 

UNE ÉNERGIE DISPONIBLE EN PERMANENCE

Pourquoi cette actualité soudaine ? "On se rend compte que le pétrole bon marché appartiendra bientôt au passé, que le nucléaire produit des déchets toxiques, que le charbon émet du CO2 et que les éoliennes et le solaire n'offrent qu'une électricité intermittente qu'on ne sait pas stocker", énumère Marty Hoffert, professeur de physique à l'université de New York Face à cette impasse, souligne ce partisan des centrales orbitales, le solaire spatial a toutes les qualités. Cette source est inépuisable : chaque année, le Soleil distribue gracieusement 7700 fois les besoins énergétiques de l'humanité. Or, le potentiel de ce gisement est sept fois plus grand dans l'espace : 1371 watts/m², contre 200 W/m² en moyenne au sol. Parce que la lumière du soleil ne serait pas filtrée par l'atmosphère et ses nuages.
Et surtout parce que les panneaux solaires seraient placés en orbite géostationnaire. Du coup, l'ombre de la Terre ne les masquerait que lors des équinoxes et l'énergie deviendrait disponible en permanence : la productivité des panneaux serait doublée et le besoin de stockage éliminé.
Ces données sont connues depuis l'aube de la conquête spatiale. Dès 1968, l'ingénieur américain Peter Glaser jetait les plans de la première centrale solaire orbitale, brevetée en

1973. Que n'a-t-on alors lancé ce projet ? La Nasa, motivée par la crise pétrolière, s'y est bien frottée. Jusqu'en 1979, 50 millions de dollars furent investis dans l'étude d'un système de 60 satellites délivrant 300 gigawatts (GW) et capable de fournir les deux tiers de l'électricité du pays. Mais il y avait trop d'inconnues technologiques et, surtout, les 275 milliards de dollars du projet furent difficiles à faire passer à une époque où les budgets étaient engloutis par la navette spatiale. En dépit d'un regain d'intérêt à la fin des années 1990, la Nasa jeta l'éponge : l'ère Bush fut celle du retour sur la Lune. "L'agence est traditionnellement tournée vers l'espace. Fournir de l'énergie à la Terre n'est pas dans sa culture", regrette John Mankins, ex-patron du dossier solaire spatial à la Nasa et fondateur en 2005 d'une société d'ingénierie, Managed Energy Technologies.

 

"À LA PORTÉE DES INGÉNIEURS"

Ce retrait est d'autant plus dommage que les impasses technologiques n'en sont plus, affirme John Mankins : "Le solaire spatial n'exige aucune percée fondamentale en physique, tout est à la portée des ingénieurs". Concrètement, deux solutions pratiques s'affrontent (voir infographies). Les deux faisant appel à des panneaux photovoltaïques, c'est dans la transmission vers le sol qu'elles divergent. La première, héritée de Peter Glaser, consiste à convertir l'énergie du soleil en ondes radio (longueur d'onde de 15 cm, soit à peu près celle d'un four à micro-ondes), qui sont ensuite collectées au sol par un réseau d'antennes. La seconde se fonde sur un faisceau laser choisi dans une longueur d'onde infrarouge (1,5 micromètre) sans danger pour la vision (voir encadré).


Chaque solution a ses avantages et inconvénients. Côté micro-ondes, l'intérêt primordial est qu'elles traversent les nuages, ce qui permet d'alimenter toutes les régions du monde. De plus, le concept s'appuie sur une science arrivée à maturité. Une équipe menée par John Mankins a ainsi établi en 2008, dans l'archipel d'Hawaï, le record mondial de transmission de micro-ondes : 148 km entre émetteur et récepteur (<-). La diffusion d'énergie sur longue distance fonctionne donc. L'ennui, c'est qu'elle reste soumise aux contraintes des lois physiques. "Plus la longueur d'onde est grande, plus l'antenne émettrice doit l'être aussi pour focaliser le rayon, explique Marty Hoffert. Cela signifie qu'il faut une antenne de 1 km de diamètre en orbite pour une surface au sol de 10 km de diamètre ! Voilà pourquoi les micro-ondes ne paient que pour des puissances considérables, de l'ordre du gigawatt".

Envoyé sur terre de puissants faisceaux est-il dangereux ?
Des gigawatts troncs soumis depuis l'espace par micro-ondes ou par rayon laser... Ces faisceaux ont beau être focalisés sur des zones bien circonscrites, ils ne sont pas anodins pour l'environnement et pour ceux qui y vivent. Les micro-ondes - c'est même là le principe du four du même nom -, font vibrer les molécules d'eau, ce qui conduit à un échauffement. Côté laser, bien que les fréquences choisies soient en principe sans danger pour la vue (la cornée est opaque à l'infrarouge), l'énergie du faisceau - au-delà du mégawatt - conduirait également un échauffement problématique des zones exposées. Mais ce volet environnemental reste maîtrisable, si l'on en croit Didier Vassaux, ingénieur au CNES : "pour les micro-ondes, les faisceaux sont larges et les flux, faibles. En outre, ils ne bavent pas : très peu d'énergie est perdue. Un animal qui entrerait dans la zone aurait tôt fait de s'enfuir, tandis qu'un avion la traverserait en quelques millisecondes". Le faisceau laser, plus localisé, donc plus dangereux, pourrait, lui, être coupé rapidement s'il déviait de la cible. "Du point de vue de l'ingénieur, la sécurité est gérable, explique Didier Vassaux. Mais les citoyens ne partagent pas forcément la même approche et l'on peut comprendre que cela gêne".

Avec une longueur d'onde 100 000 fois plus petite, le laser n'exige pas d'antennes démesurées. Et les technologies sont, là aussi, à portée de main. "Bien sûr, un faisceau d'une puissance supérieure au kilowatt, en technologie spatiale, reste à faire, note Robert Lainé, directeur technique d'Astrium. Mais nous progressons, grâce aux travaux de l'université de Limoges et de notre filiale Cilas. Côté optique, nous avons démontré, avec le télescope scientifique Herschel (lancé en 2009 ->), que nous maîtrisions la fabrication de miroirs de 3,5 m de diamètre, nécessaires pour focaliser le rayon". Côté sol, pour retransformer la lumière laser en électricité, il suffit d'installer des panneaux photovoltaïques. Bonne nouvelle : destinés à capter une longueur d'onde unique - et non la totalité du spectre visible comme les panneaux classiques -, ils sont plus simples et performants que les panneaux standard. "Alors que le rendement - soit la quantité de lumière transformée en énergie - des meilleurs capteurs traditionnels dépasse à peine 40 % (<-), notre marge théorique va jusqu'à 80 %", se réjouit Stephen Sweeney, chercheur à l'université britannique du Surrey et partenaire d'Astrium. Mais le laser souffre d'un défaut majeur : sa lumière ne perce pas les nuages. Il faut donc installer les stations de réception dans des régions ensoleillées. "Mais c'est là que se concentrent les besoins, excepté l'Europe du Nord, facile à raccorder au Maghreb", argumente Robert Lainé.

LA BARRIÈRE DU PRIX

On l'a compris, la technique n'est plus vraiment un problème. Reste la barrière du prix, autrement plus difficile à franchir. Simple problème de logistique : le coût du lancement en orbite géostationnaire s'établit à environ 4 euros du gramme. Or, la masse d'une centrale solaire spatiale de quelques gigawatts frise les... 10 000 tonnes ! Un seul lancement reviendrait à 40 milliards d'euros, auxquels s'ajoute le prix de la station. Sur ce point, les chiffrages varient, mais une étude réalisée en 2004 par le centre aérospatial allemand (Deutsches Zentrum fur Luft und Raumfahrt) établissait le coût d'une centrale laser de 22 GW à environ 120 milliards d'euros. Soit 5,5 milliards du GW, ou encore deux fois le prix du nucléaire, mais pour trente ans seulement. "Ce coût élevé correspond à une estimation grossière mais pas irréaliste, concède l'énergéticien Norbert Geuder, coauteur de l'étude. Dans l'espace, tout est plus compliqué. Tant qu'à installer des centrales solaires, autant le faire au sol !" Didier Vassaux, ingénieur chargé de la prospective au Centre national d'études spatiales, pense, lui, "qu'il faudrait abaisser dix ou cent fois le coût du lancement pour que l'équation économique du solaire spatial fonctionne. En outre, lancer 10 000 tonnes requiert d'envoyer un millier de fusées Ariane V, l'engin le plus puissant disponible, en deux ans. Or, on en a lancé sept en 2009... Et quid de la pollution liée à cette activité ? On ne sait tout simplement pas faire et je doute qu'on y parvienne avant trente ans". N'en déplaise à John Mankins, ces arguments n'ont sans doute pas été étrangers au retrait de la Nasa.
Dans ces conditions, on se demande pourquoi Astrium et la Jaxa accomplissent autant d'efforts. C'est que la cause n'est pas forcément entendue... Pour l'industriel européen, le choix du laser offre un plus grand éventail d'applications que les micro-ondes. Pas besoin d'installations pharaoniques : un démonstrateur de 10 à 20 kW pèserait 10 tonnes et coûterait 1 milliard d'euros. De quoi approvisionner en électricité des points du globe où puissance et coût du kWh ne sont pas primordiaux : sites isolés, zones sinistrées, navires en mer, militaires en campagne, etc. Le tout en gardant un pied dans la course concurrentielle. De là à payer en fonds propres... "Ce qui manque, c'est le financement, glisse Robert Lainé. La course est partie. Reste à savoir si l'Europe veut y participer."

PASSER DE L'ARTISANAT AU STADE INDUSTRIEL

Pour le Japon, la motivation est autre : dépourvu de ressources énergétiques, dépassé sur le front nucléaire, l'archipel voit dans le solaire spatial une opportunité de revenir au premier plan des technologies de l'énergie, mais aussi d'améliorer ses chances de survie économique. Et ce pari n'a rien d'absurde, affirme John Mankins, à condition de changer les mentalités : "Si le solaire orbital est trop cher, c'est que l'espace reste une activité artisanale. Il faut tout repenser à l'échelle industrielle, comme on l'a fait pour l'informatique en passant des gros ordinateurs centralisés au PC. Il faut des éléments modulaires, des lanceurs réutilisables, des robots produits en série". Le physicien américain Marty Hoffert réclame pour sa part un investissement public massif : "Si l'on avait compté sur le seul marché, ni l'industrie nucléaire, ni le solaire terrestre, ni l'Intemet n'existeraient." C'est indéniable. L'empire du Soleil-Levant aura-t-il les moyens de devenir l'empire du solaire spatial ? Rendez-vous dans 20 ans pour avoir la réponse.

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