Scube : Space Solar Station

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1 Prix de l ingénierie du futur 2015 Scube : Space Solar Station Rémi CLAUDEL & François RABETTE ESTACA - Ecole Supérieure des Techniques Aéronautiques et de Construction Automobile - LAVAL L ESTACA est une école d ingénieurs spécialisée dans les transports, présente dans quatre domaines : les transports guidés, l automobile, l aéronautique et le spatial. L école propose aux étudiants de troisième année de mener un projet de recherche sous la supervision d un enseignant chercheur : c est le projet PIRATE (Projet d Initiation à la Recherche Appliquée par le Travail Encadré). Celui-ci est effectué dans les laboratoires de l école rassemblés sous le nom d ESTACA LAB. Durant l année scolaire , nous nous sommes intéressés à la production électrique à bord des satellites artificiels. Au vu des premiers résultats de nos recherches, nous avons réorienté notre sujet vers la production d électricité depuis l orbite terrestre. Nos travaux ont permis de vérifier que ce moyen de production d énergie est propre, renouvelable et abordable. énergies renouvelables comme l éolien ou le solaire n ont pas permis la mise en place d une énergie propre et économiquement viable. La recherche d autres sources électriques a abouti à l idée d une production énergétique depuis l espace. Durant les années 70, l essor de la conquête spatiale et la promesse d un accès peu cher à l espace ont mené à différents projets principalement américains permettant d approvisionner le pays en électricité, comme l illustre la figure 1. Ces derniers ont été abandonnés à cause de leur coût excessif, il ne reste aujourd hui que l agence spatiale japonaise qui souhaite alimenter Tokyo par le biais d une centrale solaire placée en orbite [1]. Glossaire ESA : Agence spatiale européenne JAXA : Agence spatiale japonaise MWh : Mégawattheure NASA : Agence spatiale américaine 1. Introduction Depuis une trentaine d années, la consommation d énergie mondiale a doublé, dû à l accroissement de la population et à l augmentation du niveau de vie. L électricité est devenue une énergie très utilisée, il a donc fallu construire des centrales supplémentaires pour faire face à l augmentation de la demande. Ces centrales ont contribué à l augmentation des rejets de gaz à effets de serre par l utilisation intensive d hydrocarbures et de charbon. L opinion défavorable vis-à-vis des centrales nucléaires et le prix élevé des Figure 1 : Solar Power Station, 1976, illustration d'artiste Ce mémoire est un résumé du rapport que nous avons rédigé en anglais au cours de notre année de projet de recherche PIRATE, disponible sur le site de l école sous le nom de Space Solar Station. Afin de proposer un résumé clair de nos travaux, certains détails et calculs ont été retirés dans ce mémoire : ils sont en revanche présents dans le rapport originel. Ce mémoire présente donc les points essentiels sur lesquels nous avons concentré nos travaux : le fonctionnement d une centrale solaire spatiale, les problèmes de mise en œuvre et le potentiel d une telle station solaire spatiale. Prix de l ingénierie du futur 2015 Rémi Claudel & François Rabette 1

2 2. Space Solar Station Notre centrale solaire spatiale appelée Scube, ou Space Solar Station, est un projet de production d électricité spatiale parmi d autres réalisés principalement par la NASA ou la JAXA. Nos recherches ont consisté à résumer et tirer le meilleur parti des précédents travaux sur ce sujet, et de proposer des solutions envisageables à l horizon 2020 qui permettraient la faisabilité d une centrale solaire spatiale. Afin de construire une centrale solaire spatiale, plusieurs composants sont nécessaires. La figure 2 montre le principe d un tel projet. La production électrique nécessite des panneaux photovoltaïques, éventuellement complétés par des miroirs permettant d augmenter la production maximale de ces panneaux. L objectif des miroirs étant d être moins encombrant et plus légers que les panneaux solaires, afin de réduire le nombre de fusées nécessaires pour emmener les différents composants en vue de l assemblage en orbite. Figure 2: Schéma explicatif d'une centrale solaire spatiale L envoi de l électricité produite en orbite est effectué par l intermédiaire d une antenne placée sur le satellite, et d un récepteur, situé sur le sol terrestre. Deux types de duo antenne/récepteur sont envisageables : l envoi par technologie micro-ondes ou laser. Dans le premier cas, l antenne produit des micro-ondes à partir de tubes à vides appropriés et le récepteur est constitué d antennes redresseuses convertissant les micro-ondes en électricité. Le second cas implique une mise en orbite d un laser de haute puissance, le faisceau lumineux produit est réceptionné et convertit en électricité par des cellules photovoltaïques ou des antennes redresseuses fonctionnant cette fois-ci pour les ondes électromagnétiques visibles, comme la lumière blanche. Nous avons situé notre centrale solaire spatiale en orbite géostationnaire à km. Sur cette orbite, les satellites tournent à la même vitesse que la Terre sur elle-même, et restent donc au dessus du même endroit sur Terre, ce qui permet une relative facilité de mise en œuvre : la centrale solaire spatiale ne bouge pas par rapport au récepteur au sol et donc n a pas besoin d orienter constamment l antenne pour ajuster le faisceau d énergie vers le récepteur. Nous avons calqué la puissance électrique du Scube sur celle d un réacteur nucléaire, environ d un gigawatt. Il n est pas suffisant de produire un gigawatt avec les panneaux photovoltaïques, car une partie de cette énergie est perdue, de la production jusqu à la réception de l énergie par le récepteur au sol. Premièrement, les meilleurs panneaux photovoltaïques d aujourd hui n excèdent guère les 40% de rendement [2], c est-à-dire que 40% de l énergie lumineuse reçue est convertie en électricité. Ce type de panneaux est déjà utilisé dans le secteur spatial, embarqués sur différents satellites : il suffirait d en fabriquer et d en envoyer davantage dans l espace. Le rendement de la transmission par microondes atteint presque les 90% [2], en prenant en compte la transmission et la conversion du faisceau micro-ondes en électricité. Les micro-ondes présentent l avantage de ne pas être sensibles à l atmosphère : le rendement de ce type de transmission est donc plus élevé que celui du laser, qui est diffracté ou absorbé par l atmosphère terrestre. Son rendement atteint donc au mieux 40% avec des cellules photovoltaïques et 85% avec des antennes redresseuses [3], si la perte de puissance à cause de l atmosphère terrestre n est pas prise en compte. Le rendement final maximal, en utilisant des panneaux photovoltaïques à 40% et une transmission à 90%, est donc de 36%, ce qui veut dire que 36% de la luminosité reçue par les panneaux de la centrale solaire spatiale est finalement convertie en électricité et utilisable par l usager. Prix de l ingénierie du futur 2015 Rémi Claudel & François Rabette 2

3 3. Faisabilité du projet Aucune centrale solaire spatiale n a pour l instant été construite et mise en orbite, notamment à cause du prix de lancement. D autres problèmes subsistent également, dus à l ombrage du satellite ou à la transmission de l énergie sur Terre. Les projets étudiés par la NASA ont été abandonnés à la suite d un prix prévisionnel excessif. Aujourd hui, de nouveaux lanceurs spatiaux commencent à émerger : les lanceurs dit low-cost. Ces lanceurs ont pour objectif de réduire le prix d accès à l espace, qui est actuellement d environ $ par kilogramme envoyé en orbite terrestre basse [4]. Le prix au kilogramme de Falcon-9, nouveau lanceur développé par la compagnie privée SpaceX propose un coût d environ 5000$/kg [5], soit 5 fois moins qu un lanceur comme Ariane 5 [4]. Avec un accès moins cher à l espace, le prix d une centrale solaire spatiale serait ainsi beaucoup moins élevé qu auparavant, et la faisabilité économique de ce projet pourrait donc être assuré. De plus, de nouveaux panneaux solaires tendent à apparaître, plus performants et plus légers. Ces nouveaux panneaux peuvent produire 500W d électricité par kilogramme [6], ce qui permet de réduire la masse de la centrale spatiale, et donc, le nombre de fusées nécessaires à son envoi. A titre d exemple, les panneaux «conventionnels» que l on croise un peu partout sur Terre produisent quant à eux environ 13 Watt par kilogramme de cellules photovoltaïques [6]. satellite présent dans le cône d ombre puisse être remplacé par un autre satellite. Cela demande donc à l installation au sol d être dimensionné en conséquence, c est-à-dire de multiplier le nombre de récepteurs, voire même construire un récepteur unique pour une flotte de satellites. A l image su système GPS ou Galileo, 24 satellites permettraient d avoir au minimum 7 satellites en orbite pour alimenter une infrastructure au sol. La transmission présente quelques inconvénients. Elle doit être relativement précise : en effet, si l antenne de centrale spatiale est orientée d un degré de trop par rapport à la station réceptrice, le faisceau d énergie est dévié de plus de 600km. De plus, cette transmission doit respecter des critères de densité surfaciques afin de ne pas mettre en danger les êtres vivants présents dans le faisceau. Par exemple, la réglementation internationale impose de ne pas dépasser 10 Watt de puissance microondes par mètre carré [7]. Une centrale d un gigawatt nécessiterait donc une station réceptrice au sol de plus de 11 km de diamètre. La seule solution consiste donc à restreindre l accès de la station réceptrice aux humains par exemple en le militarisant. 4. Potentiels d exploitation La centrale solaire spatiale dispose de nombreux avantages comparés notamment à son homologue installé sur le sol terrestre. Elle présente également des possibilités pour d autres utilisations que la production électrique. Une autre utilisation de ce type de satellite est La mise en place d un système de production l augmentation de la production agricole. En effet, les énergétique nécessite que le réseau électrique soit recherches scientifiques tendent à montrer que les stable, c est-à-dire qu il soit disponible à volonté. En micro-ondes ont un effet notable sur la vitesse de effet, l énergie électrique n étant pas stockable à croissance de certaines plantes [6]. Ceci aurait pour l échelle de la consommation actuelle, nous devons conséquence d augmenter les rendements agricoles et trouver une solution pour contrecarrer ce problème. De de diminuer l usage des différents produits chimiques nuit et dans le cas où il n y a pas de vent, la seule utilisés dans l industrie agro-alimentaire. Pendant les centrale «à énergie renouvelable» en mesure de périodes où la demande électrique est faible, il est alors produire de l électricité sont les centrales hydrauliques. possible de continuer à utiliser le satellite pour Pour une centrale solaire spatiale en orbite l agriculture et ainsi d éviter un gaspillage certain géostationnaire, le problème est un similaire à cause du d énergie. passage de la centrale spatiale dans le cône d ombre Avec une centrale solaire spatiale il est possible créé par la Terre (voir paragraphe 2). Il se retrouve donc d électrifier des zones reculées en plaçant sur la station dans l impossibilité de fonctionner et de fournir de plusieurs antennes de petite taille dirigées vers des l électricité. La solution à ce problème est de déployer récepteurs de taille réduite, comme des récepteurs une flotte de centrales solaires, permettant qu un Prix de l ingénierie du futur 2015 Rémi Claudel & François Rabette 3

4 portables par exemple. Ces stations réceptrices pourraient par exemple être flottantes et construites sur l eau, afin d être mobiles. De manière analogue, à la suite d une catastrophe naturelle, il est ainsi possible d apporter de l électricité à un pays dévasté en seulement quelques heures. Une centrale solaire spatiale présente l avantage de produire davantage d énergie qu une centrale solaire situé sur Terre pour une même quantité de panneaux photovoltaïques. La production d une cellule photovoltaïque est limitée par la puissance lumineuse qu elle reçoit. En France, l intensité lumineuse maximale est d environ 200 Watt par m². Un panneau solaire d un mètre carré avec un 20% de rendement par exemple peut donc avoir une puissance maximale de 40W. En orbite géostationnaire, à km d altitude, l intensité lumineuse est d environ 1300W/m². Le même panneau verrait ainsi sa puissance maximale passer à 260W. De plus, une centrale solaire sur Terre ne produit de l électricité seulement pendant la journée. Une centrale solaire spatiale en orbite géostationnaire est beaucoup plus longtemps exposée au Soleil : lorsque la centrale spatiale est dans son «cône d ombre», c est-à-dire cachée du Soleil par la Terre, elle ne produit pas d électricité. Cependant, ce temps d ombrage est au maximum de 72 minutes par jour. Cela signifie que la centrale spatiale ne produira pas d électricité pendant ce temps-là. Ces 72 minutes sont atteintes pour les deux équinoxes, le reste de l année, cet intervalle de temps est encore plus réduit, ce qui reste négligeable comparé à une centrale solaire terrestre. Enfin, la production énergétique d une centrale solaire spatiale n est pas sujette aux changements météorologiques et climatiques. Figure 3 : Schéma explicatif d'un cône d'ombre 5. Conclusion Afin de valider nos choix de composants et de leur dimensionnements respectifs, nous avons créé et programmé un logiciel permettant de simuler la vie de notre centrale solaire spatiale. Il résulte de nos simulations que notre satellite a une production d environ 1GW pour une durée de vie de 25 ans. Avec ces derniers chiffres, nous pouvons en déduire le cout de production d un MW d électricité, soit environs 78$ (environ 70 à l heure actuelle). Le tableau 1 montre une comparaison des diffèrent cout de production des principales énergies consommé en France [6]. Source d énergie /MWh Hydraulique 18 Nucléaire 49,5 Charbon 70 Eolienne 82 Gaz 100 Eoliennes off-shore 220 Panneaux photovoltaïques 300 Scube Environ 70 Table 1 : Coût au MWh de l'électricité en France Nous remarquons que cette méthode de production est plus rentable que le gaz et les principales sources d énergies renouvelables actuelles. Elle est équivalente en termes de coût au charbon. Mais elle n égale pas le nucléaire et l hydraulique. Cependant, cette méthode n est pas encore appliquée pour les raison évoqué plus haut (principalement économique et de faisabilité). La centrale spatiale solaire pourrait donc potentiellement remplacer certaines autres sources d énergie, si un jour un Etat entreprend d en construire une. Elle ne produit aucun gaz à effet de serre, nécessite peu de maintenance et peu de personnel pendant son fonctionnement, les efforts sont à fournir essentiellement à sa construction, que ce soit pour fabriquer les panneaux, l antenne embarquée ou la station réceptrice au sol, ou pour construire et lancer les fusées nécessaires à sa mise en orbite. Une utilisation massive de centrales solaires spatiales permettrait de remplacer partiellement des sources d énergies polluantes comme le charbon, ou des Prix de l ingénierie du futur 2015 Rémi Claudel & François Rabette 4

5 énergies renouvelables trop chères comme le photovoltaïque «terrestre». La production en masse de panneaux et de lanceurs spatiaux aboutirait aussi très probablement à une baisse des coûts, ce qui permettrait d obtenir une énergie encore moins cher, et ainsi proposer de l électricité à un prix comparable au nucléaire par exemple. Bibliographie [1] J. Dr Susumu Sasaki, «It s always sunny in Space». [2] O. P. E. -. A. C. T. Leopold Summerer, Interviewee, Concepts for wireless energy transmission via laser. [Interview]. [3] R. A. D. &. M. Milanese, «Solar Energy, Volume 73 6,» December [4] F. A. Administration, «Semi-Annual Launch Report - Second half of 2009,» [5] SpaceX, «Capabilities and Services,» [En ligne]. [6] NASA/CP, «Stretched Lens Array Squarerigger (SLASR) Technology Maturation,» [7] C. d. Comptes, «Le coût de production de l électricité nucléaire actualisation,» Paris, [8] J. Bluck, «NASA to test microwave effects on plant growth,» May Prix de l ingénierie du futur 2015 Rémi Claudel & François Rabette 5