EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

En Novembre 2022, les partenaires de l’ESA ont approuvé au niveau ministériel le financement du projet Solaris qui consiste à étudier la faisabilité de centrales utilisant le rayonnement solaire en orbite terrestre (« SBSP » Space-based Solar Power) pour alimenter en énergie les consommateurs en surface terrestre. Selon ce que rapporte le Figaro, l’ESA a choisi le 24 juillet Thales Alenia Space (Thalès, France, 67% et Leonardo, Italie, 33%, « TAS ») pour mener l’étude à la tête d’un consortium de sociétés européennes. Pour les membres du consortium, on parle de Dassault Aviation pour l’aéronautique, d’Engie (France), Enel (Italie) et d’Air Liquide pour l’énergie. La décision de « faire » devrait être prise en 2025, en fonction bien sûr des résultats de l’étude.

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On voit bien l’intérêt de telles centrales (on parle de « fermes solaires » pour la partie collecte dans l’espace) : fournir une énergie propre à partir d’une ressource illimitée, le rayonnement solaire, disponible avec la même intensité 24h/24h, 7 jours sur 7 jours, toute l’année (quelle que soit la durée de cette « année »). Ceci ne veut pas dire que la collecte de l’énergie et la transmission ne coûteront rien et que toute l’énergie souhaitée sera immédiatement disponible. Cela dépendra de la surface de collecte mise en place, de la puissance du faisceau d’ondes envoyé vers la Terre et de la capacité de captage et de conversion des stations de réception au sol. Il faudra fournir les milliers de panneaux photovoltaïques nécessaires, les monter dans l’espace jusqu’à l’orbite géostationnaire (36.000 km) pour que la position de l’émetteur vers la Terre soit fixe par rapport au récepteur au sol. Il faudra, dans l’espace, les structurer robotiquement en un ensemble cohérent et opérationnel pour qu’ils puissent fonctionner ensemble, collecter le rayonnement solaire par une surface aussi grande que possible et émettre vers la Terre par un faisceau d’ondes aussi étroit que possible. Il faudra ensuite entretenir le dispositif de collecte (les micrométéorites existent !), celui permettant son orientation optimale, et bien sûr, celui du système de transmission au sol de l’énergie dans une centrale réceptrice pouvant convertir le rayonnement en électricité et qui soit connectée au réseau de distribution générale de l’électricité.

Avec ces premières remarques on voit bien, au-delà de l’intérêt, la difficulté du projet qui repose essentiellement dans l’assemblage en orbite d’énormes surfaces de collecte, leur structuration, la transmission du rayonnement collecté vers le sol en un seul faisceau, et dans la réception impeccable au sol, de ce faisceau.

Le faisceau envoyé vers la Terre doit être aussi stable que possible au départ pour assurer une liaison stable avec le sol, pour des raisons d’efficacité (transmission de toute l’énergie sur la cible et uniquement sur la cible) et de sécurité (dommage possible dans l’environnement traversé et entourant la cible). Il faut donc s’assurer d’une stabilité aussi grande que possible du satellite équipé du dispositif de collecte du rayonnement et l’on sait que la simple réception d’un rayonnement peut induire un déplacement dans l’espace (c’est comme cela que se meuvent les voiles solaires). Le satellite devra donc être équipé d’un système de propulsion et de pilotage pour contrer en permanence les mouvements résultant de la force reçue par le rayonnement et aussi pour que la surface de collecte suive le Soleil dans sa course puisqu’elle va tourner comme la Terre sur elle-même et en orbite autour du Soleil alors qu’elle devra avoir un maximum de surface orthogonale aux rayonnements pour les capter avec le maximum d’efficacité. Mais cela n’exclut pas, bien sûr, que l’on conçoive une géométrie de la voile qui permette de limiter l’ampleur de ces mouvements (on comparera l’économie réalisée dans l’énergie nécessaire au maintien de la voile immobile avec la perte en énergie potentiellement non-transmise vers la Terre du fait de la configuration de cette voile).

Le rayonnement reçu va être transmis au sol à partir de chaque sous-ensemble de la ferme solaire, par les ondes. Il faut donc prévoir d’éviter autant que possible tout obstacle qui pourrait se présenter dans l’atmosphère et en particulier les populations d’oiseaux qui pourraient interférer, ou des avions qui pourraient, par erreur ou nécessité de navigation, risquer de pénétrer dans le faisceau de transmission. Il faut aussi étudier l’impact ionisant des rayons sur les gaz atmosphériques (ce pourrait être une forme de pollution, surtout si les stations sont nombreuses !), et bien sûr l’ajustement en temps réel de la direction de l’impact du faisceau vers la cible compte tenu de la possibilité de déplacement de l’émetteur et du caractère évidemment fixe du récepteur.

La longueur d’ondes de la transmission devra être finement déterminée pour ces raisons écologiques et aussi parce que les ondes plus longues nécessiteraient des récepteurs de grandes tailles tandis que les ondes plus courtes seraient plus faciles à focaliser mais passeraient moins facilement au travers de l’atmosphère. Les organisateurs sont aujourd’hui ouverts à toutes propositions mais privilégient les ondes radioélectriques UHF (décamétriques). L’exemple donné est celui d’ondes de 2,45 GHz. Ces ondes transmises de façon la plus cohérente possible (donc probablement laser) sont reçues au sol par une surface équipée d’antennes redresseuses (« rectenna ») qui convertissent le rayonnement reçu en électricité.

Avant de produire pour la Terre, il serait judicieux de tester sur la Lune. L’expérience y serait facilitée par l’absence d’atmosphère et par l’absence de risque en cas d’instabilité du faisceau.

Il ne faut pas croire que Thalès et l’ESA peuvent mener leur étude « tranquillement ». Les aiguilles tournent ! Elles sont en concurrence avec des entités américaines (CalTech a lancé en janvier 23 un démonstrateur pour la transmission, dans le cadre de son programme SSPD. Ce démonstrateur a fonctionné de manière satisfaisante avec la première expérience, « MAPLE »*). La Chine prévoit le sien en 2028. Le Royaume Uni a également un projet en route. Peut-être ces différents pays parviendront-ils par des chemins différents à des résultats très proches. Ce qu’on peut espérer pour l’Europe c’est que le coût obtenu ne soit pas trop élevé par rapport à celui de ses concurrents ce qui lui permettrait d’avoir un accès indépendant à l’énergie, contrairement à ce qui est le cas aujourd’hui pour le pétrole ou même l’uranium.

*MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) expérience effectuée dans le cadre du SSPD (Space Solar Power Demonstator) était conçue pour vérifier les premiers stades de la technologie de transmission d’énergie sans fil. Il a atteint une puissance de 200 mW (milliwatt). C’est très peu mais « c’est déjà çà »

Ceci dit il faut être optimiste. Il n’y a pas de raison théorique pour laquelle la faisabilité serait impossible et on ne voit pas pourquoi Thalès ne fournirait pas les solutions les plus performantes. Une fois que le système fonctionnera on voit bien l’intérêt pour la Terre mais on le voit aussi pour l’installation de l’homme sur la Lune et sur Mars. En effet les ressources énergétiques sur ces deux astres ne sont pas évidentes puisque ni l’une ni l’autre ne disposent d’hydrocarbures, ni d’eau liquide, ni de vents suffisamment puissants pour être utilisés (sur Mars, la densité atmosphérique est trop faible) et la géothermie est incertaine (la croûte de Mars est plus épaisse que celle de la Terre et le gradient de température à l’intérieur, plus « raide »). De plus l’accès à la ressource à partir du sol est très médiocre puisque la Lune connait de longues nuits de 14 jours et que Mars subit au sol de fréquentes tempêtes de poussière qui enlèvent toute sécurité à l’exploitation au sol de panneaux solaires. NB : (1) L’irradiance à la distance Soleil-Mars est beaucoup plus faible qu’à la distance de la Terre (492 à 715 W/m2 contre 1360 W/m2 pour la Terre) mais elle reste quand même exploitable. (2) Une interrogation subsiste en cas de tempête solaire. Trouvera-t-on une longueur d’onde pouvant transporter suffisamment d’énergie au sol au travers de la poussière ?

Reste deux problèmes. Le premier est celui de l’acheminement d’un nombre très élevé de panneaux solaires dans l’espace. On sera dans une configuration un peu semblable à celle que l’on connait pour les constellations internet autour de la Terre, en plus difficile (masse et volume). On peut noter au passage que la mise sur orbite de ces centrales ultra-écologiques risque d’être peu écologique (problème uniquement dans le cas de la Terre) à moins que l’on développe très vite des lanceurs ne brûlant que de l’hydrogène dans l’oxygène. Le second problème est celui de l’assemblage. On a déjà fait des assemblages dans l’espace mais ils ont été plutôt laborieux. Relier physiquement des milliers de panneaux solaires et contrôler ensuite leur surface pour la faire évoluer en fonction du besoin fondamental d’orientation vers le Soleil tout en maintenant pleinement opérationnel le dispositif de câbles portant les commandes et centralisant l’énergie reçue n’est pas évident.

Pour Mars, une difficulté supplémentaire viendra du besoin de produire les panneaux solaires sur place car il serait surprenant que l’on puisse consacrer un nombre suffisant de vols depuis la Terre à ce seul transport. Pour la Lune ce ne sera pas la même chose puisque les allers et retours seront rapides (avec possibilité de réutiliser les mêmes lanceurs) et pourront être aussi fréquents qu’on le voudra. Dans le cas de Mars, si on choisit la production locale, l’exigence de pureté du silicium utilisable (99,9999%), suppose un degré de développement de l’industrie locale qui n’est pas pour demain, à moins que l’on parvienne à utiliser un autre support que le silicium et qu’il soit aussi efficace. La société suisse Astrostrom Gmbh fait une ouverture en proposant (pour la Lune) d’y substituer la pyrite (cristaux de fer). Abondant sur la Lune, ce matériau pourrait être utilisé sur place pour produire les panneaux d’une centrale électrique orbitant ensuite un des points de Lagrange Terre – Lune (« GLPS » pour « Greater Earth Lunar Power Station »).

De toute façon, On se trouve en présence d’une innovation qui pourrait changer bien des choses, sur Terre et dans l’espace. En effet les centrales solaires spatiales pourraient limiter sinon éviter l’implantation d’une industrie nucléaire en surface de Mars qui nécessiterait beaucoup d’efforts (recherche du minerai, purification, etc…). Les quantités d’énergie disponibles seraient aussi abondantes que le permettrait la production de panneaux solaires en surface de Mars, avec une ressource abondante déjà bien identifiée (silicium ou pyrite). Et les hommes résidant sur Mars ne dépendraient plus de la Terre en cas de défaillance d’un réacteur nucléaire importé. Par ailleurs les craintes écologiques seraient évidemment réduites à zéro puisqu’on n’aurait pas à craindre les vols d’oiseaux en formation, ni à trouver « la meilleure solution » pour se débarrasser du combustible épuisé ou du matériel irradié comme dans le cas des réacteurs nucléaires. Ceci dit pour continuer à faire fonctionner le système en cas de tempête de poussière et si on ne trouve pas d’ondes pouvant traverser sans trop de pertes la poussière, il faudra pouvoir stocker l’énergie. Une piste serait de positionner des masses en hauteur, sur une surface portante, pendant les périodes de surplus de production ; ces masses fournissant une force exploitable en étant positionnées pour redescendre au niveau du sol en périodes de besoin. Certains diront que cela ne changerait pas grand-chose par rapport au problème d’ensoleillement que l’on aurait au sol. Je répondrais négativement car avec les fermes solaires nous disposerions d’une abondance d’électricité en période normale sans équivalence avec ce qu’on pourra jamais obtenir au sol. Il y aurait donc des marges de production permettant de constituer des stocks.

Enfin la construction et l’entretien de ces « fermes solaires » justifieront sans doute, autour de Mars comme autour de la Terre, des bases habitées pouvant intervenir en cas de besoin, c’est-à-dire pour la construction et pour l’entretien. Il faudra en effet contrôler les flottes de robots qui déploieront les panneaux, les relieront les uns aux autres, et piloter les structures qui permettront de les orienter. Il faudra aussi intervenir pour changer les panneaux défectueux (il y a des micrométéorites dans l’espace !) ou simplement pour renouveler les consommables (il pourrait y en avoir besoin dans les diverses articulations du système). Je rappelle que pour Gérard O’Neill c’est précisément ces activités qui justifiaient la création de ses fameux cylindres ou des hommes vivraient de façon permanente (les « îles de l’espace »). Astrostrom reprend l’idée pour son GLPS.

Liens :

https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/SOLARIS/SOLARIS2

https://esamultimedia.esa.int/docs/technology/Potential_Activities_for_the_Space-based_Solar_Power_Specific_Area_in_GSTP_Element_1_22Dec22.pdf

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0040609021005514

https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/SOLARIS/ESA_developing_Space-Based_Solar_Power_plant_plans

https://www.linkedin.com/company/esa-solaris/

https://astrostrom.ch/en/GEO-LPS_greater_earth_lunar_power_station.php

https://www.esa.int/Enabling_Support/Preparing_for_the_Future/Discovery_and_Preparation/Help_ESA_research_key_space-based_solar_power_challenges

https://www.caltech.edu/about/news/in-a-first-caltechs-space-solar-power-demonstrator-wirelessly-transmits-power-in-space

https://www.lefigaro.fr/societes/un-reseau-de-centrales-solaires-en-orbite-le-pari-fou-sur-lequel-planche-thales-20230721

illustration de titre et illustrations dans la page : Vues d’artiste d’une future ferme solaire. Agence spatiale européenne et Andreas Treuer. La voile gigantesque est constituée de lignes de panneaux-solaires. L’énergie collectée est rassemblée au centre de la voile, pour émission vers la Terre. La barre perpendiculaire à l’axe et la bordure tenant les extrémités des lignes de panneaux, permettent l’orientation optimale de la surface de collecte. Ci-dessous, centrale réceptrice au sol :

Pour (re)trouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur (cet index reprend l’intégralité des articles publiés dans le cadre de la plateforme letemps.ch ) :

Index L’appel de Mars 23 08 22

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45 Responses

  1. Une autre difficulté, pour l’orbite terrestre, est le risque d’impact de débris spatiaux, qui sont de plus en plus abondants.

    1. Désolé Bob mais les nuisances pour l’environnement résultant de la décision de placer un objet sur l’orbite géostationnaire n’a rien à voir avec celles qui résultent de la décision de le placer en orbite basse. Je rappelle des faits élémentaires:
      .
      Surface de la Terre 510 millions de km2, surface d’une sphère de même centre mais de rayon augmenté de 600 km : 610 millions de km2, sphère de l’orbite géostationnaire : 22.490 millions de km2.

  2. Bonjour a tous :nous voila partis pour la sphere de DYSON !!! dans le style de celle que nous croyons avoir decouvert autour d une planete.

  3. Désolé, mais malgré les prestigieuses institutions impliquées (encore faudra-t-il voir ce que donnera le résultat de leur étude), je ne crois guère à la réalisation de tels projets pharaoniques. Il y aurait beaucoup à (re)dire, mais en l’absence de toutes évaluations technico-économiques chiffrées dans le texte cela ne rime pas à grand-chose de se lancer dans de grandes dissertations dans le vide (c’est le cas de le dire!). Juste sur le plan du principe, et en en restant aux applications terrestres, le reste étant pour le moment de la pure science-fiction, l’intérêt d’aller récolter si loin de l’énergie par ailleurs disponible sur Terre en quantité suffisante n’existerait que si l’on manquait ici-bas de surface de captage suffisante, ce qui n’est pas le cas: toits des maisons par exemple ou surfaces désertiques pour des installations plus importantes centralisées. C’est un peu comme si on avait des pommiers dans son jardin et qu’au lieu d’en cueillir directement les fruits on préférait aller acheter en grande surface des pommes cultivées et récoltées très loin de manière industrielle :-). Un des arguments principaux des promoteurs des installations solaires est justement que la source primaire est disponible sur Terre en quantité raisonnable à peu près partout où on en a besoin. C’est le caractère décentralisé de cette énergie qui en fait essentiellement l’intérêt. Plutôt que de dépenser des sommes folles pour la mise en place et l’entretien (sans parler de tous les autres problèmes évoqués, risques en particulier si on a des faisceaux très concentrés et sinon on se retrouve avec la nécessité de surfaces de captage au sol importantes) de fermes solaires installées à 36’000 km d’altitude, on ferait mieux d’investir dans l’amélioration des possibilités de stockage de cette énergie pour « lisser » sa disponibilité sur Terre, technologie qui serait d’ailleurs aussi nécessaire avec le système proposé, les installations de réception au sol étant nécessairement éloignées des centres de consommation pour des raisons de sécurité. Mais, encore une fois, on discute là dans le vide en l’absence de toute base chiffrée concrète.

    1. Je ne suis pas d’accord pour les raisons suivantes: 1) l’ensoleillement en orbite géostationnaire sera meilleur que partout ailleurs sur le sol de la planète; 2) sacrifier des surfaces énormes en surface de la Terre, même dans les déserts, est une pollution qu’il vaut mieux éviter (les surfaces réceptrices des ondes concentrées en surface de la Terre occuperont une surface beaucoup moins importante que les champs de panneaux solaires actuels).
      .
      Bien sûr nous ne disposons pas de précisions puisque l’étude de faisabilité est justement demandée pour cela. Mais personnellement je trouve le principe très intéressant (avec le bémol que pose le problème de la protection des oiseaux). On en reparlera en 2025 lors de la remise des études.

      1. « 1) l’ensoleillement en orbite géostationnaire sera meilleur que partout ailleurs sur le sol de la planète » Pas de manière suffisamment significative, en orbite géostationnaire on peut obtenir 1360 W/m2, et il y aura de toute façon des déperditions jusqu’à la réception de cette énergie au sol, alors qu’au sol l’ensoleillement par ciel clair reste de l’ordre de 1000 W/m2. La différence ne justifie pas les coûts énergétiques, économiques et environnementaux de la mise en orbite géostationnaire de fermes photovoltaïques géantes.
        « 2) sacrifier des surfaces énormes en surface de la Terre, même dans les déserts, est une pollution qu’il vaut mieux éviter ». Les surfaces ne seraient pas à ce point plus grandes que dans le cas des installations de réception des rayonnements transmis au sol depuis l’orbite géostationnaire (cette énergie peut être concentrée dans le cas d’installations au sol pour limiter les surfaces nécessaires), sauf à imaginer une densité de puissance dans ces faisceaux qui posera de très gros problème de sécurité. Et puis, il n’y pas besoin de sacrifier de nouvelles surfaces; comme Monsieur de Reyff et moi-même l’ont rappelé, il y a suffisamment de surfaces déjà occupées (toits par exemple) pour satisfaire les besoins en les utilisant de façon extensive. Pourquoi vouloir absolument centraliser l’utilisation d’une énergie dont la principale qualité est justement d’être décentralisée et disponible un peu partout?
        Ce qu’il faut c’est plutôt travailler à améliorer les capacités de stockage permettant de « lisser » la production des installations terrestres captant l’énergie solaire. C’est beaucoup plus réaliste, raisonnable et rationnel que des fermes solaires envoyées en nombre à 36’000 km de la Terre!
        Mais effectivement, tant que l’on n’a pas d’évaluations chiffrées comparées (captage en orbite géostationnaire vs captage au sol) – faisabilité technique, investissement énergétique, coûts économiques, impacts environnementaux … – on ne fait que « sculpter le Bon Dieu dans les nuages » :-).

    2. Pour Pierre-André Haldi et Christophe de Reyff,
      Puisque selon vous on dispose sur Terre de surfaces de captage suffisante, pour quoi ne les exploite-t-on pas, ainsi pourquoi n’équipe-t-on pas toutes les constructions neuves de panneaux solaires ? Même si cette énergie est intermittente et non stockable, elle peut servir de complément aux autres sources d’énergie.

      1. Cela se fait ! En Suisse on a déjà plus de 4,7 GWp de PV installés, soit quelque 26 km2, de quoi avoir produit, en 2022, 3,9 TWh. L’effort est encore à multiplier par dix pour arriver à produire entre 30 et 40 TWh. Y arrivera-t-on d’ici 2050 ?

  4. Que voilà une fausse bonne idée !

    Rappelons que la Terre reçoit du Soleil en environ une heure l’équivalent de la consommation mondiale d’énergie, toutes formes confondues, soit 624 EJ ! Un mètre carré en orbite reçoit certes une irradiation de 1’361 W, soit une énergie de 12 MWh par an, soit, au sol, 340 W par mètre carré et donc une énergie de 3 MWh par an.

    Mais, en orbite géostationnaire (à la verticale de l’équateur), il y a aussi une nuit de 12 heures environ…. Pour assurer une production constante, il faudrait disposer de deux à quatre « centrales » disposées à 180° ou 90° les unes des autres sur l’orbite géostationnaire. La transmission hertzienne de l’énergie captée devrait être verticale sur des surfaces de captage précisément situées à l’équateur, juste 36’000 km en dessous des « centrales » immobiles au-dessus d’elles.

    Je crois par contre, de mon côté, que, sur les 510 millions de km2 de la surface terrestre, il y a de quoi trouver le petit million de km2 nécessaires pour produire l’équivalent de toute l’énergie mondiale actuelle par du photovoltaïque (PV). La Suisse devrait (purement théoriquement dit !), consacrer quelque 510 km2, soit 1,25% de son territoire, pour couvrir toute la future demande du pays de 90 TWh (milliards de kWh) d’électricité, vers 2050, une fois les transports et les chauffages passés aux véhicules électriques et aux pompes à chaleur. Visons seulement le tiers de cette valeur couverte par du PV, soit 170 km2 ! Cela représenterait déjà d’installer quelque 24’000 m2 de modules PV chaque jour ouvrable, non stop, d’ici 2050. Est-ce jouable ? Certainement plus que des centrales en orbite aux surcoûts énormes par rapport à des centrales PV alpines et des minicentrales domestiques sur Terre.

    Je ne me fais pas l’apôtre du seul PV terrestre (intermittent et stochastique, tout comme l’éolien), car je pense qu’il faut aussi assurer l’énergie de ruban d’un pays de façon absolument continue et permanente (en Suisse une puissance minimale actuelle de 4 à 5 GW, demain, en 2050, probablement de 5 à 7 GW, pour une valeur moyenne actuelle de 7 GW, demain, en 2050, de 10 GW), ce que notre hydroélectricité peut et pourra couvrir seulement en partie, mais que le remplacement de nos centrales nucléaires (3 GWe) devra faire coûte que coûte, et sans agents fossiles, bien sûr… Je ne vois que 2 à 3 nouveaux réacteurs EPR2 (de 1,75 GWe chacun) !

    1. « Que voilà une fausse bonne idée ! » Entièrement d’accord, c’est exactement ce que j’avais déjà commenté la semaine passée. Il y a bien mieux, plus économique, plus écologique et plus rationnel à faire en matière de production et stockage d’énergie pour les besoins terrestres.

    2. Cher Monsieur, je suis désolé mais je ne suis pas d’accord avec vous sur la durée de la nuit en orbite géostationnaire.
      Les satellites placés sur cette orbite, du fait de leur altitude se trouvent presque en permanence à l’extérieur du cône d’ombre de la terre et bénéficient de ce fait d’un éclairement constant. En période d’équinoxe (mars et septembre), ils peuvent quelques fois être plongés chaque jour dans l’obscurité pour des durées ne dépassant pas les 72 mn.

      1. Vous avez raison, mais je ne connaissais pas ce maximum de 72 minutes d’ombre par jour durant les périodes d’équinoxe.
        Cela implique soit la mise en œuvre de modules PV bifaciaux, soit une rotation permanente des modules PV de 360° pour capter continuellement le Soleil aussi dans la direction de la Terre (la nuit) et continuer de poursuivre le Soleil tout au long du jour.

        1. Je comprends maintenant votre remarque. En effet il est prévu que les panneaux des fermes solaires suivent le mouvement du Soleil. Les grandes voiles qui les regroupent seront constamment orthogonales à ces rayonnements. C’est du moins ce que j’ai compris mais nous en saurons plus quand les études seront terminées.
          Pour ce qui est des « passages à l’ombre », je crois que cela est dû au fait que le cône d’ombre est maximum à l’équinoxe puisque c’est à ce moment que l’occultation du Soleil par la Terre est maximum (lorsque le satellite se trouve en conjonction avec le Soleil bien sûr).

          1. Merci !
            Confirmation nécessaire pour me convaincre : petit calcul fait, à 36’000 km de la surface terrestre, le cône d’ombre de la Terre a environ 11’400 km de diamètre, ce qui représente dans le ciel un cercle de 18° de diamètre (à comparer à la Lune, 3’500 km de diamètre, qui a 0,52° de diamètre apparent moyen dans le ciel, à 384’000 km d’ici et au Soleil avec 1,4 million de km de diamètre à 150 millions de km d’ici, ce qui donne aussi un diamètre apparent moyen de 0,53°).
            C’est donc 1/20 de 360° et donc de 24 heures, soit bien 72 minutes.
            Du fait de l’obliquité de la Terre de 23,5° il y a 14,5° en dessus et en dessous de ce cercle de 18° pour une illumination sans interruption. On peut vérifier que l’ombrage partiel commence vers le 25 février et dure jusqu’au 16 avril, puis du 29 août jusqu’au 18 octobre avec les deux maxima de 72 minutes aux équinoxes.

          2. Merci Monsieur de Reyff. Je suis heureux que nous soyons d’accord.
            Pour être plus précis, il faudrait distinguer entre le cône d’ombre et le cône de pénombre pour connaître les variations d’irradiance à l’intérieur du cône de pénombre pour évaluer l’énergie reçue au cours de l’année avec ses maximum et minimum (par jour puisqu’on ne stocke pas très efficacement l’énergie).

  5. pour les panneaux solaires le pb c est le stockage :batteries plus electronique signifie couts d entretien et pannes ; l electronique est reputee pour ses pannes.de plus la chaine de vie des batteries pollue.Mais bon on peut qd meme avoir recours en complement a cette voie:je ne suis pas contre mais il faut du soleil.

    1. et pour ce qui est des fermes solaires je ne connais pas le sujet et je ne m y interresse pas vraiment donc je ne puis emettre un quelconque avis.Toutefois cela peut etre interressant pour la Lune et meme Mars ?et meme un vaisseau spatial en translation ?

      1. En tout cas certainement pour la Lune et pour Mars. C’est d’ailleurs ce que j’écris dans mon article.
        Pour le vaisseau spatial ce serait impossible en raison de la taille de la structure et de la forte accélération nécessaire pour quitter l’orbite de parking terrestre pour une destination quelconque.

      2. Evidemment que l’utilisation de l’énergie solaire est intéressante pour l’alimentation en électricité des vaisseaux spatiaux « en translation », … c’est déjà utilisé depuis longtemps (Vanguard 1, 1958), à l’échelle de leurs besoins! Pour ce qui est de Mars, comme pour la Terre il est plus simple et rationnel de récolter cette énergie au sol. Pour la Lune, c’est un peu différent à cause de la longueur de la nuit lunaire (environ 15 jours terrestres) qui rend le stockage jour->nuit difficile, voir la sonde lunaire indienne actuellement sur notre satellite naturel qui ne survivra pas à la nuit à venir.

  6. Hors sujet, mais actualité:

    Après la Lune, l’Inde lance une sonde vers le Soleil
    La sonde Aditya-L1 («Soleil» en hindi) a été lancée ce samedi matin. Elle observera notamment les décharges brutales de plasma
    ….
    Une mission conjointe avec le Japon doit permettre d’envoyer une sonde sur la Lune d’ici 2025 ainsi qu’une mission vers Vénus d’ici deux ans.

    https://www.letemps.ch/sciences/espace/apres-la-lune-l-inde-lance-une-sonde-vers-le-soleil

    1. En effet, alors que la Russie n’arrive décidément pas à retrouver son statut antérieur dans la compétition spatiale, l’Inde, après la Chine, surprend par ses succès et sa progression remarquable dans ce domaine. On en revient toujours à la même question, qu’attend l’Europe pour prendre enfin la place qui devrait être la sienne?

      1. @PAH
        L’Europe existe-t-elle encore, avec ses déficits colossaux, ses balances commerciales en chute libre, ses récessions annoncées, ses conflits entre pays (énergie entre autres) et la guerre qui n’en fini plus?
        L’absence de l’Europe pourrait durer ….. pendant un certain temps …. mon Commandant.

        1. Bon, en même temps, comparée à d’autres (suivez mon regard!), l’Europe ne s’en sort quand même pas si mal, surtout si on pense d’où elle est partie il y a 78 ans en arrière. A preuve d’ailleurs que les candidatures ne manquent pas pour la rejoindre. Comme on dit: « quand je me regarde je me désole, quand je me compare je me console » :-). Et dans le domaine spatial, notre continent a quand même quelques belles réussites à son actif (et c’est à des ingénieurs/scientifiques de quelle origine que sont en bonne partie dus les exploits initiaux « américains » dans ce domaine en particulier?!). Mais l’Europe aurait la capacité de faire bien plus et de ne pas se contenter de succès essentiellement commerciaux. C’est ce manque d’ambition que je déplore. Mais il est encore possible de se réveiller, et il y a des « frémissements » actuellement qui le laisse espérer.

  7. Outre les « trous » des interruptions partielles des 25 jours avant et jusqu’à 25 jours après chaque équinoxe, les variations de production seront surtout dues aux variations d’irradiance dues à l’excentricité non nulle de l’orbite terrestre, faisant varier la valeur de l’irradiance autour de la valeur standard de la constante solaire (1361 W/m2) entre +3,4% et -3,3%, soit entre 1420 et 1325 W/m2 au périhélie et à l’aphélie de notre orbite autour du Soleil.

    Prendre la valeur standard reste pourtant une très bonne approximation comme moyenne pour estimer l’énergie reçue sur l’année, dont il faudra soustraire les deux fois 28 heures et 48 minutes d’obscurité cumulées des périodes d’équinoxe, soit 0,66% de l’année. Ce qui donnerait 11,84 MWh d’énergie solaire reçue par mètre carré et par an. Avec des modules PV ultramodernes à 25% de rendement, on obtiendrait près de 3 MWh d’électricité par mètre carré et par an.

    1. Mais à quel prix (sur tous les plans, pas seulement économique)!
      A propos, il m’est venu à l’esprit une autre objection à de tels projets, de type sécuritaire celle-là. Quand on voit les Dr. Folamour actuels menacer à tout bout de champ l’Humanité de leurs « Satan-2 » et autres « missiles de l’Apocalypse », inutile de leur donner encore des joujoux supplémentaires de destruction venue du ciel. Même si ce n’est pas tout-à-fait la même technologie, ceux qui ont vu le James Bond « Meurs un autre jour » comprendront à quoi je fais allusion (Icare : un canon laser en orbite concentrant en son cœur la lumière solaire afin d’un faire un gigantesque rayon destructeur)! En fait, il serait souhaitable que ce genre d’expérimentation dangereuse, que ce soit volontaire ou pas, soit interdite au plan international, ou en tout cas sérieusement encadrée.

      1. Désolé je ne suis pas d’accord. Tout progrès a sa face « sombre » (comme le Yin et le Yang). Le nucléaire permet la production d’énergie abondante et décarbonée tout autant que la bombe.
        .
        Par ailleurs, on ne peut pas « interdire » le progrès. Quelque chose de possible sera toujours réalisé, regardez l’intelligence artificielle, les hackers, ou même la guerre pour résoudre les conflits. Et si on tente de l’empêcher ce seront souvent ceux qui veulent l’utiliser pour de mauvaises raisons qui s’en serviront alors que les « gentils » citoyens s’abstiendront. Il faut simplement prendre ses précautions et inventer des parades contre les mauvais usages (pour la guerre atomique, c’est la dissuasion).

        1. Il y heureusement des exemples de restrictions sur l’utilisation de certaines technologies qui fonctionnent relativement bien (traité de non prolifération par exemple et contre d’autres types d’armes ou technologies, biologiques par exemple, dangereuses aujourd’hui prohibées). On ne peut se satisfaire d’une attitude défaitiste comme quoi il n’y aurait rien à faire contre des dérives technologiques qui existent bel et bien. Il vaut toujours mieux chercher à prévenir que guérir, … en admettant encore que « guérir » soit toujours possible! Et puis, c’est une question de pesée de risque et de savoir s’il y plus à gagner qu’à perdre à utiliser une technologie donnée. Devrait-on accepter une technologie qui aurait potentiellement la possibilité de faire exploser la planète (on y arrivera un jour), même si elle pouvait aussi avoir par ailleurs certaines applications positives? Nos possibilités technologiques sont aujourd’hui arrivées à un tel niveau de dangerosité potentielle qu’il n’est plus possible de laisser faire sans aucune restriction; c’est la survie de l’Humanité qui est en jeu.

      2. À quel prix économique, oui, là est la question (entre autres, certainement !).
        En comparant avec ce que l’on peut produire en Suisse en moyenne par an et par mètre carré, soit environ au mieux 200 kWh, la centrale satellitaire sur orbite géostationnaire en produirait 15 fois plus avec ses 3 MWh. Il faut encore déterminer quel est le surcoût satellitaire avant de tirer un conclusion définitive.

        1. Je ne sais pas ce qu’il est pour vous, mais pour moi la vision d’un ciel (entre le sol et 36’000 km d’altitude!) à terme strié de faisceaux à haute densité énergétique entre lesquels il faudra slalomer pour éviter de proprement rôtir (!) est une perspective cauchemardesque. Surtout qu’il n’y a aucune nécessité d’en arriver là. Comme vous l’avez rappelé, il y a abondamment assez d’énergie solaire à récolter directement au sol pour couvrir nos besoins. Avec en plus l’avantage que cela peut se faire de manière décentralisée à proximité immédiate des lieux d’utilisation, alors que ce ne sera pas le cas des installations de réception des faisceaux de haute énergie pour des raisons évidentes de sécurité. Le seul problème, et celui sur lequel il serait plus intelligent d’investir, est celui du stockage de cette énergie pour en lisser la production. Une solution pour un stockage à large échelle et de longue durée pourrait être le passage par la production d’hydrogène comme vecteur énergétique intermédiaire.

          1. Bien sûr que cela est actuellement envisagé !
            Prenons l’exemple de la Suisse où un stockage saisonnier de l’été sur l’hiver d’un surplus de production photovoltaïque (PV) ou éolien permettrait d’en profiter en hiver. L’exemple retenu est celui où environ 10 TWh (milliards de kWh) seraient à retrouver en hiver. Voyons toute la chaîne en commençant par la fin. Avec un stockage d’hydrogène (H2) comprimé à 700 bars (soit une masse volumique de 38 kg/m³), on devrait mettre en œuvre un très grand nombre de piles à combustibles aptes à produire de l’électricité à partir de l’hydrogène.
            Admettons un rendement de conversion (H2 –> électricité) de 60%. Le pouvoir calorifique supérieur de H2 étant de 39 kWh par kg de H2, chaque kg de H2 converti en électricité donnera environ 24 kWh. Obtenir 10 TWh d’électricité signifie devoir traiter quelque 420’000 tonnes de H2, soit un volume de gaz comprimé à 700 bars de près de 11 millions de m³, soit près de 3 fois le volume des tubes du tunnel de base du Gothard. Ce n’est pas rien !
            À l’autre bout de la chaîne, il s’agit de produire en été cet hydrogène par électrolyse de l’eau, ici aussi par un très grand nombre d’électrolyseurs, avec un rendement (optimal) d’environ 80%, soit ici une fourniture d’électricité de 49 kWh/kg. Il faut encore ensuite transporter et comprimer ce gaz, ce qui demande encore environ 14 kWh/kg, soit au total 63 kWh/kg. Pour obtenir un stock total de gaz comprimé à 700 bars de 420’000 tonnes ou 11 millions de m³), il faudra utiliser une énergie de 26 TWh pour l’électrolyse et la compression, une électricité à produire en été par du PV ou de l’éolien, en excès de la production immédiatement consommée. On voit que le rendement théorique sur toute la chaîne serait de l’ordre de 38%, mais, pratiquement aujourd’hui, du fait d’irréversibilités ici et là dans les trois opérations principales (d’électrolyse, de transport et de compression, et de pile à combustible), on est plus proche de 30%. Le jeu en vaut-il la chandelle ?

          2. Il se trouve que pas plus tard que ce matin la radio RTS La Première a consacré tout un sujet dans sa tranche d’information 7h-8h à un projet de l’EPFL visant précisément à trouver une solution à ce problème de lissage été-hiver de la production d’énergie solaire en passant par un nouveau procédé de production d’hydrogène puis méthanation en récupérant du CO2. L’avantage étant de mettre ainsi à disposition du méthane neutre en CO2. Je trouve beaucoup plus raisonnable de chercher des solutions dans cette direction que de se lancer dans des projets pharaoniques extrêmement coûteux et par ailleurs potentiellement très dangereux, que l’on devrait plutôt laisser aux auteurs de science-fiction.

          3. @Ch. De Reyff: Attention, les calculs de « rendement »* n’ont pas la mème signification lorsque le source d’énergie primaire est une « énergie de flux » comme l’énergie solaire, ou une « énergie de stock » comme le charbon, le pétrole, le gaz naturel. Si, bien sûr, il vaut dans tous les cas mieux utiliser des chaînes énergétiques ayant la meilleur efficacité possible, dans le cas d’une énergie de flux ce qui n’est pas, ou mal utilisé, n’est pas à proprement parlé « perdu » car de toute façon non disponible pour une utilisation ultérieure; ce n’est donc pas si important (je le répète, tant qu’on a pris la meilleure chaîne disponible dans le contexte donné). Par contre, lorsqu’on « gaspille » du charbon, du pétrole ou du gaz naturel c’est un stock qui est ainsi définitivement détruit et qui ne se renouvellera pas (sauf à une très longue échelle de temps). Le problème est que le flux dans le cas de l’énergie solaire est assez faible en hiver. D’où l’intérêt du projet susmentionné de l’EPFL de profiter quand il est en excès en été pour produire par exemple du méthane utilisable ensuite en hiver, directement ou indirectement (c’est Poutine qui ne va pas être content 🙂 !).

            *On ne devrait pas utiliser pour les machines thermiques le terme de « rendement » calculé sur la base de l’énergie récoltée en sortie sur l’énergie fournie en entrée, mais celui « d’efficacité de conversion énergétique ». La preuve est que le rendement calculé de cette manière pour un moteur thermique est toujours nettement inférieur à 1 même pour une machine parfaite (sans pertes, dissipation ou dévaluation: Carnot), ce qui n’est pas cohérent. Le terme de rendement devrait être réservé aux calculs de comptabilité « exergétique », une notion qui tient compte non seulement de la quantité d’énergie mais aussi de sa qualité thermodynamique, et qui donne bien alors un rendement de 1 (100%) pour une machine parfaite. Nous nous sommes beaucoup penchés sur ces questions de calculs de « rendements » quand j’étais à l’EPFL, au sein de l’Energy Center et du Laboratoire d’énergétique industrielle, et avons publié de nombreux papiers sur le sujet, mais il y a encore beaucoup de confusions dans les résultats publiés sur ces questions, où on compare souvent et facilement des « pommes avec des poires »!

  8. Constellation Galileo : le monstrueux dilemme de Thierry Breton (et de la France)
    La constellation Galileo va-t-elle dépendre du bon vouloir des États-Unis pour rester en service au-delà de 2024 ? Thierry Breton va devoir trancher cet automne : choisir SpaceX pour lancer en 2024 ou attendre un vol d’Ariane 6 en 2025.

    https://www.latribune.fr/entreprises-finance/industrie/aeronautique-defense/constellation-galileo-le-monstrueux-dilemme-de-thierry-breton-et-de-la-france-974761.html

  9. Quelle une solution pour éviter l’effet destructif sur les panneaux des collision avec les ions lourds? N’étant pas protégé par le magnétisme des pôles, les court circuits (latch-up) au sein de support en semi-conducteur lors des inévitables collisions peuvent avoir des effets destructeurs, à moins d’en limiter la contamination ou le risque par diminution de l’épaisseur du silicium (technologie SOS).
    Ce problème n’est pas nouveau et augme très sensiblement le prix de l’électronique embarquée en orbite haute.

  10. @ M. Haldi.
    Je pars uniquement de 26 TWh d’électricité disponible en excès en été, pour en obtenir 10 Twh en hiver et ne me concentre pas sur son mode de production éolien ou PV). Les « rendements » sont uniquement ceux de l’électrolyse et de la pile à combustible.

    1. @Ch. de Reyff. Oui, mais justement il est impropre de parler de « rendement » sur la base d’une comptabilité énergétique, pour les raisons que j’ai tenté de rapidement expliquer; ce n’est correct qu’en comptabilité éxergétique. Mais cela nous entraînerait trop loin d’expliciter plus la question dans un blog qui doit quand même rester grand public.

      1. Il n’y a pas de machine thermique en jeu ici. On dispose à l’entrée de 26 TWh d’électricité et en sortie de 10 TWh d’électricité. Ce sont là aussi des valeurs d’exergie.

        1. Ma remarque « accessoire » était d’ordre général, pour dire qu’il serait préférable par cohérence d’utiliser systématiquement « efficacité énergétique » plutôt que « rendement » dans les évaluations de performance classiques de chaînes énergétiques (terminologie que nous avons cherché à généraliser à l’EPFL). Car si, en effet, énergie = éxergie pour l’électricité, ce n’est pas le cas pour la plupart des autres formes d’énergie (avec un gros problème de définition pour l’éxergie nucléaire d’ailleurs, qui n’est pas vraiment résolu et fausse complètement les calculs de rendements pour cette énergie!). Mais l’objet premier de mon commentaire était surtout de mettre en évidence que cette question des « rendements » de chaînes de conversion énergétique n’a pas la même signification et importance pour une énergie primaire « de flux » que pour une énergie primaire « de stock ».

          1. La « Statistique globale suisse de l’énergie » donne chaque année des tableaux exhaustifs pour l’énergie « primaire » (par « agent ») et pour l’énergie « finale » (telle que distribuée). La liaison entre les deux est précisément l’efficacité énergétique. Autrefois, jusqu’aux années 90, il y avait encore un troisième tableau avec l’énergie dite « utile ». Le Professeur André Gardel (1922-2008) avait proposé en 1991, mais en vain, de le remplacer ou de compléter le tout par un tableau d' »exergie ». On trouvera ici :
            https://clubenergie2051.files.wordpress.com/2020/07/perspectives-c3a9nergc3a9tiques-a.-gardel-fre-1991-light.pdf
            une étude de lui, « Perspectives énergétiques… », publiée en février 1991 par la FRE (Fédération romande pour l’énergie, hélas désormais dissoute), en particulier l’Annexe H, p. 79, où il analyse, comme exemple, la statistique suisse de l’année 1989 , en comparant des tableaux d’énergie et d’exergie.

            J’avais moi-même défendu cette proposition à l’OFEN dont la direction avait alors préféré renoncer au tableau d’énergie utile plutôt que de le remplacer ou de compléter par celui d’exergie. On m’avait dit que cette notion d’exergie serait trop compliquée à expliquer… et surtout n’était pas utilisée au plan international.
            Je suis d’accord avec vous sur le problème exemplaire de l’énergie nucléaire et de son exergie spécifique ( identifiée seulement à l’énergie thermique mise en jeu dans un réacteur et dégagée à une température de 2200 K (~2000 °C) alors que la vapeur utilisée n’est qu’à 350 °C), et, par ailleurs, bien gaspillée tant qu’on n’arrivera pas à tirer partie industriellement des isotope fertiles, ce que promet la génération IV à venir (neutrons rapides et surgénération in situ).

  11. Bonjour
    Pour changer de sujet et s affranchir un peu de la legere morosite ambiante signalons que les ordinateurs quantiques presentent un fort taux d erreur 3 a 4 pcent ! c est enorme comment piloter un systeme banquaire avec cela ou une sonde interplenetaire effectuant elle meme ses corrections de trajectoire ?ca peut conduire a la cata!

  12. On comprend que ce genre de projet sert avant tout à distribuer de l’argent car un simple tour de table avec quelques savants permettrait de dresser un bilan sur la quantité d’obstacles à surmonter, chaque obstacle devant faire l’objet d’une démonstration de « surmontabilité ». Cette propension à ne pas investir l’argent voué au programme spatial de manière judicieuse explique que l’Europe est à la traine.
    A vue de nez, on pourrait dresser une liste d’obstacles dont on attend une ébauche de solution:
    – L’intérêt de créer des fermes solaire en orbite haute serait qu’avec une plus grande densité d’énergie solaire, on pense pouvoir améliorer la rentabilité… c’est très audacieux.
    – Que coûte un panneau solaire en orbite haute par rapport au panneau solaire un peu plus grand, produisant a même quantité d’énergie au sol?
    – Quels sont les pertes pour la transmission d’énergie. On parle de transmission pas ondes. Vu la quantité à transmettre, il faudra des ondes très dirigées, au moins du térahertz ou de l’infrarouge. Dans tous les cas, celui qui passe dans le faisceau se fait griller. Bonjour l’écologie. Ensuite, puisque le postulat de base est une meilleure rentabilité, quelles sont les pertes? Là encore, que ce soit du térahertz ou de l’infrarouge, il y aura interaction avec l’humidité de l’air.
    Est-ce donc vraiment la peine de donner autant d’argent à autant d’entreprises pour savoir que rien ne se fera?

    1. Merci pour votre commentaire. Je ne peux rien dire contre le danger écologique (pour la faune terrestre) que représente la transmission d’énergie par ondes depuis l’orbite géostationnaire. Je remarquerais simplement que les panneaux d’une ferme solaire ne seraient jamais cachés par les nuages et auraient une exposition au Soleil beaucoup plus longue sur une journée de 24 heures que sur Terre. Pour ces deux raisons la capture des rayonnements solaires en très haute altitude (36.000 km) serait intéressante, surtout pour les régions situées en latitudes hautes ou moyennes).
      .
      De toute façon laissons l’étude se faire et on en tirera les conclusions. D’ores et déjà on peut dire que ce mode de capture d’énergie solaire sera très intéressant pour la Lune (nuit de 14 jours!) et pour Mars (absence totale de faune et poussière volante au sol).
      Pour ce qui est de la rentabilité économique pour utilisation sur Terre, tout dépendra de l’échelle à laquelle ces fermes solaires seraient/seront développées. En tout cas, avec elles nous n’aurions pas du tout le problème de gestion de déchets radioactifs résultant des réacteurs à fission nucléaire, ni celui du contrôle des ressources par un pays ou par l’autre.

  13. Sur Terre, le stockage saisonnier de l’énergie électrique issue d’installations photovoltaïques et sa réutilisation ultérieure en énergie électrique en hiver peut se faire, comme déjà dit ci-dessus, par une chaîne : « power to gas to power » (P2G2P), le gaz étant par exemple, l’hydrogène, le tout avec un rendement global aux alentours de 28 à 30% au mieux, peut-être améliorable demain à 40%.
    Dans l’espace, il y a une autre chaîne à considérer : « photons to electrons to photons back to electrons » puisque l’on va transmettre sur Terre l’énergie électrique produite par des modules PV, transformée en énergie électromagnétique, sous forme de rayonnement micro-onde ou autres radiofréquences (jusqu’à 10 GHz), par « wireless power transfer », l’une des solutions de transmission d’énergie sans fil. Toutes les fréquences ne sont pas également dangereuses, mais l’efficacité du procédé et la dispersion du faisceau sur un énorme parcours d’au moins 36’000 km ne sont de loin pas encore quantifiées.

  14. Bonne nouvelle pour les ordi. quantiques: le MIT vient de trouver une solution pour faire perdurer les cubits : cela va changer la donne.

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À propos de ce blog

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l’Association Planète Mars (France), économiste de formation (University of Virginia), ancien banquier d’entreprises de profession, planétologue depuis toujours

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