L’énergie solaire spatiale (SBSP) est le concept de collecte de l’énergie solaire dans l’espace et de sa distribution à la Terre. Les avantages potentiels de la collecte de l’énergie solaire dans l’espace incluent un taux de collecte plus élevé et une période de collecte plus longue en raison de l’absence d’atmosphère diffusante et la possibilité de placer un capteur solaire en orbite où il n’ya pas de nuit. Une fraction considérable de l’énergie solaire entrante (55 à 60%) est perdue en traversant l’atmosphère terrestre sous l’effet de la réflexion et de l’absorption. Les systèmes d’énergie solaire basés dans l’espace convertissent la lumière du soleil en micro-ondes en dehors de l’atmosphère, évitant ces pertes et les temps d’arrêt dus à la rotation de la Terre, mais à un coût élevé en raison du coût de lancement du matériel en orbite. La SBSP est considérée comme une forme d’énergie durable ou verte, une énergie renouvelable, et est parfois considérée comme une proposition d’ingénierie climatique. Il est intéressant pour ceux qui recherchent des solutions à grande échelle au changement climatique anthropique ou à l’épuisement des combustibles fossiles (comme le pic pétrolier).
Diverses propositions de SBSP ont fait l’objet de recherches depuis le début des années 70, mais aucune n’est économiquement viable avec les infrastructures de lancement actuelles. Un modeste système de micro-ondes de la gamme Gigawatt, comparable à une grande centrale électrique commerciale, nécessiterait le lancement d’environ 80 000 tonnes de matériel en orbite, ce qui rendrait le coût de l’énergie d’un tel système beaucoup plus élevé que celui des énergies renouvelables actuelles. Certains technologistes supposent que cela pourrait changer dans un avenir lointain si une base industrielle hors du monde devait être développée pour fabriquer des satellites solaires à partir d’astéroïdes ou de matériaux lunaires, ou si de nouvelles technologies de lancement spatial autres avenir.
Outre le coût de la mise en œuvre d’un tel système, SBSP introduit également plusieurs obstacles technologiques, notamment le problème de la transmission de l’énergie de l’orbite à la surface de la Terre pour son utilisation. Étant donné que les fils allant de la surface de la Terre à un satellite en orbite ne sont ni pratiques ni réalisables avec la technologie actuelle, les modèles SBSP incluent généralement une transmission de puissance sans fil avec des inefficiences de conversion concomitantes. recevoir l’énergie à la surface de la Terre. Le satellite de collecte convertira l’énergie solaire en énergie électrique à bord, alimentant un émetteur à micro-ondes ou un émetteur laser et transmettant cette énergie à un collecteur (ou à un rectenna à micro-ondes) à la surface de la Terre. Contrairement aux apparitions de SBSP dans les romans populaires et les jeux vidéo, la plupart des conceptions proposent des densités d’énergie de faisceau qui ne sont pas nuisibles si des êtres humains devaient être exposés par inadvertance, par exemple si le faisceau d’un satellite émetteur devait déraper. Mais la grande taille des antennes de réception qui seraient nécessaires nécessiterait encore l’acquisition de grands blocs de terre à proximité des utilisateurs finaux et leur utilisation à cette fin. La durée de vie des collecteurs spatiaux face aux défis d’une exposition à long terme à l’environnement spatial, notamment la dégradation due aux rayonnements et aux dommages causés par les micrométéoroïdes, pourrait également devenir une préoccupation pour la SBSP.
SBSP est activement poursuivi par le Japon, la Chine et la Russie. En 2008, le Japon a adopté sa loi sur l’espace de base, qui a établi Space Solar Power comme objectif national, et la JAXA a établi une feuille de route pour la SBSP commerciale. En 2015, l’Académie chinoise de technologie spatiale (CAST) a présenté sa feuille de route à la Conférence internationale sur le développement spatial (ISDC) où elle a présenté sa feuille de route pour un système commercial 1 GW en 2050.
Défis
Potentiel
Le concept SBSP est attractif car l’espace présente plusieurs avantages majeurs sur la surface de la Terre pour la collecte de l’énergie solaire:
C’est toujours le midi solaire dans l’espace et le plein soleil.
La collecte des surfaces pourrait être beaucoup plus intense en raison du manque d’obstacles tels que les gaz atmosphériques, les nuages, la poussière et autres phénomènes météorologiques. Par conséquent, l’intensité en orbite est d’environ 144% de l’intensité maximale pouvant être atteinte à la surface de la Terre.
Un satellite pourrait être illuminé à plus de 99% du temps et se trouver dans l’ombre de la Terre au maximum 72 minutes par nuit aux équinoxes de printemps et d’automne à minuit local. Les satellites en orbite peuvent être exposés à un degré élevé de rayonnement solaire, généralement 24 heures sur 24, alors que les panneaux solaires de surface recueillent actuellement de l’énergie en moyenne 29% de la journée.
Le pouvoir pourrait être relativement rapidement redirigé directement vers les zones qui en ont le plus besoin. Un satellite de collecte pourrait éventuellement diriger la puissance à la demande vers différents emplacements de surface en fonction des besoins géographiques de base ou de puissance de pointe. Les contrats types consisteraient en une charge continue de base, car le pic de puissance est éphémère.
Élimination de l’interférence des plantes et de la faune.
Avec des implémentations à très grande échelle, en particulier à basse altitude, cela peut potentiellement réduire le rayonnement solaire entrant atteignant la surface de la Terre. Cela serait souhaitable pour contrer les effets du réchauffement climatique.
Désavantages
Le concept de SBSP pose également plusieurs problèmes:
Le coût élevé du lancement d’un satellite dans l’espace
La malédiction à réseau aminci empêchant une transmission efficace de l’énergie de l’espace vers la surface de la Terre
Inaccessibilité: L’entretien d’un panneau solaire terrestre est relativement simple, mais la construction et l’entretien d’un panneau solaire dans l’espace se font généralement par télérobotique. En plus du coût, les astronautes travaillant en orbite géosynchrone (GEO) sont exposés à des dangers et des risques de rayonnement trop élevés et coûtent environ mille fois plus que la même tâche effectuée par télérobotique.
L’environnement spatial est hostile; Les panneaux subissent environ 8 fois la dégradation qu’ils feraient sur Terre (sauf aux orbites protégées par la magnétosphère).
Les débris spatiaux constituent un risque majeur pour les gros objets dans l’espace, et toutes les grandes structures telles que les systèmes SBSP ont été mentionnées comme sources potentielles de débris orbitaux.
La fréquence de diffusion de la liaison descendante par micro-ondes (si utilisée) nécessiterait d’isoler les systèmes SBSP des autres satellites. L’espace GEO est déjà bien utilisé et il est peu probable que l’UIT autorise le lancement d’un SPS. [Référence non pertinente]
La grande taille et le coût correspondant de la station de réception au sol.
Pertes d’énergie pendant plusieurs phases de conversion des photons en électrons en photons en électrons.
Conception
L’énergie solaire spatiale se compose essentiellement de trois éléments:
recueillir de l’énergie solaire dans l’espace avec des réflecteurs ou des miroirs gonflables sur des cellules solaires
transmission d’énergie sans fil à la terre par micro-ondes ou laser
recevoir de l’énergie sur Terre via un rectenna, une antenne hyperfréquence
La partie basée dans l’espace n’aura pas besoin de se soutenir contre la gravité (autre que des tensions de marée relativement faibles). Il ne nécessite aucune protection contre le vent ou les intempéries terrestres, mais devra faire face à des dangers liés à l’espace tels que les micrométéores et les éruptions solaires. Deux méthodes de conversion de base ont été étudiées: le photovoltaïque (PV) et le solaire dynamique (SD). La plupart des analyses de SBSP ont porté sur la conversion photovoltaïque utilisant des cellules solaires qui convertissent directement la lumière solaire en électricité. La dynamique solaire utilise des miroirs pour concentrer la lumière sur une chaudière. L’utilisation de la dynamique solaire pourrait réduire la masse par watt. La transmission de puissance sans fil a été proposée très tôt comme moyen de transférer l’énergie de la collecte à la surface de la Terre, en utilisant soit un rayonnement micro-ondes, soit un rayonnement laser à diverses fréquences.
Transmission de puissance à micro-ondes
William C. Brown a manifesté en 1964, dans le cadre du programme CBS News de Walter Cronkite, un hélicoptère modèle alimenté par micro-ondes qui a reçu toute la puissance nécessaire au vol depuis un faisceau de micro-ondes. Entre 1969 et 1975, Bill Brown était directeur technique d’un programme JPL Raytheon qui transmettait 30 kW de puissance sur 1,6 km à une efficacité de 84%.
Des essais de Goldstone en Californie (1975) et de Grand Bassin à La Réunion (1997) ont prouvé que la transmission de puissance par micro-ondes de plusieurs dizaines de kilowatts avait été prouvée.
Plus récemment, la transmission de l’énergie par micro-ondes a été démontrée, conjointement avec la capture de l’énergie solaire, entre une montagne de Maui et l’île d’Hawaï (à 92 miles) par une équipe de John C. Mankins. Les défis technologiques en termes de disposition des réseaux, de conception des éléments à rayonnement unique et d’efficacité globale, ainsi que les limites théoriques associées font actuellement l’objet de recherches, comme le démontre la Session spéciale « Analyse des systèmes sans fil électromagnétiques pour la transmission d’énergie solaire « qui se tiendra lors du symposium IEEE 2010 sur les antennes et la propagation. En 2013, un aperçu utile a été publié, couvrant les technologies et les problèmes associés à la transmission de l’énergie par micro-ondes d’un espace à l’autre. Il comprend une introduction à SPS, aux recherches en cours et aux perspectives d’avenir. En outre, une revue des méthodologies et des technologies actuelles pour la conception de réseaux d’antennes pour la transmission de puissance par micro-ondes est apparue dans les actes de l’IEEE.
Rayonnement laser
Certains experts de la NASA envisageaient le faisceau laser comme point de départ de l’industrialisation de l’espace. Dans les années 1980, des chercheurs de la NASA ont travaillé sur l’utilisation potentielle des lasers pour la transmission de l’énergie entre l’espace et l’espace, en se concentrant principalement sur le développement d’un laser à énergie solaire. En 1989, il a été suggéré que l’énergie pourrait également être transmise par laser depuis la Terre jusqu’à l’espace. En 1991, le projet SELENE (SpacE Laser ENErgy) a démarré, avec l’étude de la transmission laser de la puissance pour alimenter une base lunaire. Le programme SELENE était un effort de recherche de deux ans, mais le coût de la mise en service du concept était trop élevé et le projet officiel a pris fin en 1993 avant de parvenir à une démonstration spatiale.
En 1988, Grant Logan a proposé l’utilisation d’un laser terrestre pour alimenter un propulseur électrique destiné à la propulsion spatiale. Les détails techniques ont été élaborés en 1989. Il a proposé d’utiliser des cellules solaires diamantées fonctionnant à 600 degrés pour convertir la lumière laser ultraviolette.
Emplacement orbital
Le principal avantage de la localisation d’une centrale spatiale en orbite géostationnaire est que la géométrie de l’antenne reste constante, ce qui simplifie le maintien des antennes. Un autre avantage est que la transmission de puissance presque continue est immédiatement disponible dès que la première centrale spatiale est mise en orbite; D’autres centrales spatiales ont des temps de démarrage beaucoup plus longs avant de produire une puissance quasi continue. Une collection de centrales spatiales à orbite basse (LEO) a été proposée comme précurseur de l’énergie solaire spatiale GEO (Geostationary Orbit).
Récepteur terrestre
Le rectenna basé sur la Terre serait probablement constitué de nombreuses antennes dipôles courtes connectées via des diodes. Les émissions de micro-ondes du satellite seraient reçues dans les dipôles avec une efficacité d’environ 85%. Avec une antenne hyperfréquence conventionnelle, l’efficacité de la réception est meilleure, mais son coût et sa complexité sont également considérablement plus élevés. Les rectennas auraient probablement plusieurs kilomètres de diamètre.
Dans les applications spatiales
Une SBSP laser pourrait également alimenter une base ou des véhicules à la surface de la Lune ou de Mars, économisant ainsi des coûts de masse pour atterrir sur la source d’énergie. Un vaisseau spatial ou un autre satellite pourrait également être alimenté par les mêmes moyens. Dans un rapport de 2012 présenté à la NASA sur Space Solar Power, l’auteur mentionne une autre utilisation potentielle de la technologie à la base de l’énergie solaire spatiale pour les systèmes de propulsion à énergie solaire pouvant être utilisés pour des missions d’exploration humaine interplanétaires.
Frais de lancement
Le coût des lancements spatiaux et la quantité de matériel à lancer sont un problème pour le concept de SBSP.
Une grande partie du matériel lancé ne doit pas nécessairement être livré immédiatement à son orbite, ce qui soulève la possibilité que des moteurs à haut rendement (mais plus lents) puissent déplacer des matériaux SPS de LEO à GEO à un coût acceptable. Les exemples incluent les propulseurs ioniques ou la propulsion nucléaire. La transmission de puissance à partir d’une orbite géostationnaire par micro-ondes pose la difficulté que les tailles « d’ouverture optique » requises sont très grandes. Par exemple, l’étude SPS de 1978 de la NASA exigeait une antenne émettrice de 1 km de diamètre et un rectenna récepteur de 10 km de diamètre pour un faisceau de micro-ondes à 2,45 GHz. Ces tailles peuvent être quelque peu diminuées en utilisant des longueurs d’onde plus courtes, bien qu’elles aient augmenté l’absorption atmosphérique et même le blocage potentiel du faisceau par la pluie ou les gouttelettes d’eau. En raison du maillage aminci, il est impossible de créer un faisceau plus étroit en combinant les faisceaux de plusieurs satellites plus petits. La grande taille des antennes émettrice et réceptrice signifie que le niveau de puissance pratique minimum pour un SPS sera nécessairement élevé; de petits systèmes SPS seront possibles, mais non rentables.
Pour donner une idée de l’ampleur du problème, en supposant une masse de panneaux solaires de 20 kg par kilowatt (sans tenir compte de la masse de la structure de support, de l’antenne ou de toute réduction de masse significative des miroirs), une centrale de 4 GW pèserait environ 80 000 tonnes métriques, toutes lancées depuis la Terre dans les circonstances actuelles. Des conceptions très légères pourraient probablement atteindre 1 kg / kW, soit 4 000 tonnes métriques pour les panneaux solaires pour la même station de 4 GW. Ce serait l’équivalent de 40 à 150 lancements de lanceurs lourds pour envoyer le matériel en orbite basse, où il serait probablement converti en panneaux solaires de sous-ensembles, qui pourraient alors utiliser un moteur à haut rendement. les fusées atteignent (lentement) le GEO (orbite géostationnaire). Avec un coût de lancement en série estimé entre 500 millions de dollars et 800 millions de dollars, et des coûts de lancement de 78 millions de dollars, les coûts de lancement se situeraient entre 11 milliards de dollars (faible coût du VPH, faible poids) et 320 milliards de dollars ( coûteux HVV, panneaux plus lourds. À ces coûts, il faut ajouter l’impact environnemental des missions de lancement d’espaces lourds, si ces coûts doivent être utilisés par rapport à la production d’énergie par voie terrestre. À titre de comparaison, le coût direct d’une nouvelle centrale au charbon ou au nucléaire varie entre 3 et 6 milliards de dollars par GW (sans compter le coût total pour l’environnement des émissions de CO2 ou du stockage du combustible nucléaire usé, respectivement); Un autre exemple est que les missions Apollo sur la Lune ont coûté un total de 24 milliards de dollars (dollars des années 1970), compte tenu de l’inflation, couteraient 140 milliards de dollars, plus chers que la construction de la Station spatiale internationale.
Bâtiment de l’espace
Des matériaux lunaires lancés en orbite
Gerard O’Neill, notant le problème des coûts de lancement élevés au début des années 70, proposait de construire des SPS en orbite avec des matériaux provenant de la Lune. Les coûts de lancement de la Lune sont potentiellement beaucoup plus faibles que ceux de la Terre, en raison de la faible gravité et du manque de traînée atmosphérique. Cette proposition des années 1970 supposait le coût de lancement futur annoncé de la navette spatiale de la NASA. Cette approche nécessiterait d’importants investissements en capital initial pour établir des conducteurs de masse sur la Lune. Néanmoins, le 30 avril 1979, le rapport final (« Utilisation des ressources lunaires pour la construction spatiale ») de la division Convair de General Dynamics, sous contrat NAS9-15560, concluait que l’utilisation des ressources lunaires serait moins chère que celle des matériaux terrestres. système de trente satellites d’énergie solaire de capacité de 10 GW chacun.
En 1980, quand il est devenu évident que les estimations des coûts de lancement de la NASA pour la navette spatiale étaient extrêmement optimistes, O’Neill et al. publié un autre itinéraire de fabrication utilisant des matériaux lunaires avec des coûts de démarrage beaucoup plus faibles. Ce concept SPS des années 1980 reposait moins sur la présence humaine dans l’espace que sur la présence de systèmes partiellement auto-réplicables sur la surface lunaire sous le contrôle à distance de travailleurs stationnés sur Terre. Le gain d’énergie net élevé de cette proposition provient du puits gravitationnel beaucoup moins profond de la Lune.
Avoir une source de matières premières à partir de l’espace relativement bon marché réduirait le risque de conception de faible masse et aboutirait à la création d’un autre type de SPS. Le faible coût par livre de matériaux lunaires dans la vision de O’Neill serait supporté par l’utilisation de matériaux lunaires pour fabriquer plus d’installations en orbite que de simples satellites solaires. Les techniques avancées de lancement depuis la Lune peuvent réduire le coût de la construction d’un satellite d’énergie solaire à partir de matériaux lunaires. Parmi les techniques proposées, citons le conducteur de masse lunaire et l’ascenseur spatial lunaire, décrit pour la première fois par Jerome Pearson. Cela nécessiterait la création d’installations d’extraction de silicium et de fabrication de cellules solaires sur la Lune.
Sur la Lune
Le physicien David Criswell suggère que la Lune est l’emplacement optimal des centrales solaires et qu’elle favorise l’énergie solaire lunaire. Le principal avantage qu’il envisage est la construction principalement à partir de matériaux lunaires disponibles localement, utilisant l’utilisation des ressources in situ, avec une usine mobile et une grue téléopérées pour assembler les réflecteurs hyperfréquences, et des robots pour assembler et aux dessins SBSP. Les satellites de relais de puissance en orbite autour de la Terre et la Lune reflétant le faisceau de micro-ondes font également partie du projet. Un projet de démonstration de 1 GW commence à 50 milliards de dollars. La Shimizu Corporation utilise une combinaison de lasers et de micro-ondes pour le concept de l’anneau Luna, ainsi que des satellites de relais de puissance.
D’un astéroïde
L’extraction des astéroïdes a également été sérieusement envisagée. Une étude de conception de la NASA a évalué un véhicule minier de 10 000 tonnes (à assembler en orbite) qui renverrait un fragment d’astéroïde de 500 000 tonnes à une orbite géostationnaire. Environ 3 000 tonnes seulement du navire minier seraient des charges utiles de qualité aérospatiale. Le reste serait une masse de réaction pour le moteur de masse, qui pourrait être constituée des étages de fusée utilisés pour lancer la charge utile. En supposant que 100% de l’astéroïde retourné était utile, et que le mineur astéroïde lui-même ne pouvait pas être réutilisé, cela représente une réduction de près de 95% des coûts de lancement. Cependant, les véritables mérites d’une telle méthode dépendraient d’une étude approfondie des minéraux sur les astéroïdes candidats; jusqu’à présent, nous n’avons que des estimations de leur composition. Une des propositions est de capturer l’astéroïde Apophis en orbite terrestre et de le convertir en 150 satellites d’énergie solaire de 5 GW chacun, l’astéroïde 1999 AN10 le plus gros, soit 50 fois la taille d’Apophis et assez grand pour construire 7 500 satellites solaires de 5 gigawatts.
Configurations non typiques et considérations architecturales
Le système de systèmes de référence type implique un nombre significatif (plusieurs milliers de systèmes à plusieurs gigawatts pour desservir la totalité ou une partie importante des besoins énergétiques de la Terre) de satellites individuels en mode GEO. La conception de référence type du satellite individuel se situe dans la plage de 1 à 10 GW et implique généralement le photovoltaïque solaire (PV) planaire ou concentré en tant que collecteur / conversion d’énergie. Les conceptions de transmission les plus courantes se trouvent dans la bande RF 1–10 GHz (2,45 ou 5,8 GHz) où il y a des pertes minimales dans l’atmosphère. Les matériaux pour les satellites proviennent de et sont fabriqués sur Terre et devraient être transportés au LEO via un lancement de fusée réutilisable et transportés entre LEO et GEO par propulsion chimique ou électrique. En résumé, les choix d’architecture sont les suivants:
Lieu = GEO
Collecte d’énergie = PV
Satellite = Structure monolithique
Transmission = RF
Matériaux et fabrication = Terre
Installation = RLV à LEO, Chimique à GEO
Il existe plusieurs variantes de conception intéressantes du système de référence:
Autre emplacement de collecte d’énergie: Bien que GEO soit le plus courant en raison de ses avantages de proximité avec la Terre, de pointage et suivi simplifiés, de temps d’occultation très réduit et d’évolutivité pour répondre à toutes les demandes mondiales, d’autres sites ont été proposés:
Sun Earth L1: Robert Kennedy III, Ken Roy et David Fields ont proposé une variante du parasol L1 appelée « Dyson Dots » où un collecteur primaire multi-terawatt transmettrait l’énergie à une série de satellites récepteurs à synchronisation LEO. La distance beaucoup plus grande à la Terre nécessite une ouverture de transmission correspondante plus grande.
Surface lunaire: Le Dr David Criswell a proposé d’utiliser la surface lunaire comme support de collecte, en transmettant de l’énergie au sol via une série de réflecteurs hyperfréquences en orbite terrestre. Le principal avantage de cette approche serait la capacité de fabriquer les capteurs solaires in situ sans le coût énergétique et la complexité du lancement. Les inconvénients comprennent la distance beaucoup plus longue, nécessitant des systèmes de transmission plus grands, le «surdimensionnement» nécessaire pour faire face à la nuit lunaire et la difficulté de fabriquer et de pointer suffisamment de satellites réflecteurs.
MEO: des systèmes MEO ont été proposés pour les services publics spatiaux et les infrastructures de propulsion par faisceaux. Par exemple, voir le papier de Royce Jones.
Orbites hautement elliptiques: les orbites Molniya, Tundra ou Quazi Zenith ont été proposées comme sites de prédilection pour des marchés de niche, nécessitant moins d’énergie pour y accéder et offrant une bonne persistance.
Sun-Sync LEO: Dans cette orbite proche de Polar, les satellites ont une vitesse qui leur permet de toujours faire face au Soleil lorsqu’ils tournent autour de la Terre. Il s’agit d’une orbite facile d’accès nécessitant beaucoup moins d’énergie, et sa proximité de la Terre nécessite des ouvertures de transmission plus petites (et donc moins massives). Cependant, cette approche présente des inconvénients, notamment le fait de devoir constamment changer de station de réception ou de stocker de l’énergie pour une transmission en rafale. Cette orbite est déjà encombrée et présente des débris spatiaux importants.
LEO équatorial: Le SPS 2000 du Japon a proposé un démonstrateur précoce dans le LEO équatorial dans lequel plusieurs nations participantes équatoriales pourraient recevoir un certain pouvoir.
Surface de la Terre: Narayan Komerath a proposé un réseau électrique spatial où l’excès d’énergie d’un réseau ou d’une centrale existant d’un côté de la planète peut être transmis en orbite, à un autre satellite et à des récepteurs.
Collecte d’énergie: Les conceptions les plus typiques des satellites à énergie solaire comprennent le photovoltaïque. Celles-ci peuvent être planes (et généralement refroidies passivement), concentrées (et peut-être refroidies activement). Cependant, il existe plusieurs variantes intéressantes.
Solaire thermique: Les promoteurs de Solar Thermal ont proposé d’utiliser un chauffage concentré pour provoquer un changement d’état dans un fluide afin d’extraire de l’énergie via des machines rotatives, suivi d’un refroidissement dans les radiateurs. Les avantages de cette méthode pourraient inclure la masse globale du système (contestée), la non-dégradation due aux dommages causés par le vent solaire et la tolérance aux rayonnements. Une conception récente de satellite d’énergie solaire thermique de Keith Henson a été visualisée ici.
Laser à pompage solaire: le Japon a mis au point un laser à pompage solaire, où la lumière solaire excite directement le milieu laser utilisé pour créer le faisceau cohérent sur Terre.
Fusion Decay: Cette version d’un satellite de puissance n’est pas « solaire ». Au contraire, le vide de l’espace est considéré comme une « caractéristique et non un bug » pour la fusion traditionnelle. Selon le Dr Paul Werbos, après la fusion, même les particules neutres se désintègrent en particules chargées qui, dans un volume suffisamment important, permettraient une conversion directe en courant.
Boucle de vent solaire: également appelée satellite Dyson – Harrop. Ici, le satellite utilise non pas les photons du soleil mais plutôt les particules chargées dans le vent solaire qui, par couplage électro-magnétique, génèrent un courant dans une grande boucle.
Miroirs directs: Les premiers concepts de réorientation directe de la lumière vers la planète Terre ont été causés par le fait que les rayons venant du soleil ne sont pas parallèles, mais se développent à partir d’un disque. Le Dr. Lewis Fraas a exploré un tableau de miroirs paraboliques pour compléter les panneaux solaires existants.
Architecture satellite alternative: Le satellite type est une structure monolithique composée d’une structure, d’un ou de plusieurs collecteurs, d’un ou plusieurs émetteurs, et parfois de réflecteurs primaires et secondaires. La structure entière peut être stabilisée par gravité. Les conceptions alternatives incluent:
Essaims de plus petits satellites: Certains modèles proposent des essaims de plus petits satellites en vol libre. C’est le cas avec plusieurs conceptions de laser, et semble être le cas avec les tapis volants de CALTECH. Pour les conceptions RF, le problème de la matrice épaisse constitue une contrainte technique.
Composants flottants libres: Solaren a proposé une alternative à la structure monolithique où le réflecteur primaire et le réflecteur de transmission volent librement.
Stabilisation de spin: La NASA a exploré un concept de film mince stabilisé par spin.
Structure stabilisée du propulseur à laser photonique (PLT): M. Young Bae a proposé que la pression des photons puisse remplacer les éléments compressifs dans les grandes structures.
Transmission: La conception la plus typique pour la transmission de l’énergie se fait via une antenne RF située au-dessous de 10 GHz vers un rectenna au sol. La controverse existe entre les avantages des klystrons, des gyrotrons, des magnétrons et de l’état solide. Les approches de transmission alternatives incluent:
Laser: les lasers offrent l’avantage d’un coût et d’une masse nettement inférieurs à la puissance initiale, mais les avantages de l’efficacité sont controversés. Les lasers permettent des ouvertures de transmission et de réception beaucoup plus petites. Cependant, un faisceau très concentré présente des problèmes de sécurité oculaire, de sécurité incendie et d’armement. Les promoteurs croient qu’ils ont des réponses à toutes ces préoccupations. Une approche basée sur le laser doit également trouver d’autres moyens de faire face aux précipitations.
Guide d’ondes atmosphérique: Certains ont proposé d’utiliser un laser à impulsions courtes pour créer un guide d’ondes atmosphérique dans lequel les micro-ondes concentrées pourraient s’écouler.
Scalar: Certains ont même spéculé qu’il pourrait être possible de transmettre de la puissance via des ondes scalaires.
Synthèse nucléaire: Les accélérateurs de particules situés dans le système solaire interne (que ce soit en orbite ou sur une planète comme Mercure) pourraient utiliser l’énergie solaire pour synthétiser le combustible nucléaire provenant de matériaux naturels. Bien que cela soit extrêmement inefficace en utilisant la technologie actuelle (en termes de quantité d’énergie nécessaire pour fabriquer le combustible par rapport à la quantité d’énergie contenue dans le combustible) et poserait des problèmes évidents de sécurité nucléaire, la technologie de base Cela fait des décennies que l’on se fie à cette dépendance, ce qui en fait le moyen le plus fiable d’envoyer de l’énergie, en particulier sur de très longues distances, en particulier du système solaire interne au système solaire externe.
Matériaux et fabrication: Les conceptions typiques utilisent le système de fabrication industrielle existant existant sur Terre et utilisent des matériaux basés sur la Terre à la fois pour le satellite et le propulseur. Les variantes comprennent:
Matériaux lunaires: Il existe des conceptions pour les satellites à énergie solaire qui fournissent> 99% des matériaux provenant du régolithe lunaire avec de très petites quantités de « vitamines » provenant d’autres endroits. L’utilisation de matériaux de la Lune est attrayante car le lancement depuis la Lune est en théorie beaucoup moins compliqué que depuis la Terre. Il n’y a pas d’atmosphère et les composants n’ont donc pas besoin d’être emballés dans un aérosol et de résister aux vibrations, à la pression et à la température. Le lancement peut se faire via un pilote de masse magnétique et la nécessité d’utiliser du propulseur pour le lancement complet. Lancement depuis la Lune Le GEO nécessite également beaucoup moins d’énergie que le puits de gravité beaucoup plus profond de la Terre. La construction de tous les satellites solaires pour fournir toute l’énergie nécessaire à la planète entière nécessite moins d’un millionième de la masse de la Lune.
Auto-réplication sur la Lune: La NASA a exploré une usine à réplication automatique sur la Lune en 1980. Plus récemment, Justin Lewis-Webber a proposé une méthode de fabrication spécifiée d’éléments centraux basée sur le design SPS-Alpha de John Mankins.
Matériaux astéroïdes: On pense que certains astéroïdes ont un Delta-V encore plus bas pour récupérer les matériaux que la Lune, et certains matériaux d’intérêt particulier, tels que les métaux, peuvent être plus concentrés ou plus faciles d’accès.
Fabrication dans l’espace / in situ: Avec l’avènement de la fabrication additive dans l’espace, des concepts tels que SpiderFab pourraient permettre le lancement en masse de matières premières pour l’extrusion locale.
Contre-arguments
sécurité
L’utilisation de la transmission de puissance par micro-ondes a été la question la plus controversée lors de l’examen de toute conception SPS. À la surface de la Terre, un faisceau hyperfréquence suggéré aurait une intensité maximale en son centre de 23 mW / cm2 (moins de 1/4 de la constante d’irradiation solaire) et une intensité inférieure à 1 mW / cm2 à l’extérieur de la ligne de front ( le périmètre du récepteur). Celles-ci sont comparables aux limites d’exposition professionnelle actuelles de la loi américaine sur la sécurité et la santé au travail (OSHA) pour les micro-ondes, qui sont de 10 mW / cm2. Un faisceau de cette intensité est donc en son centre, d’une ampleur similaire aux niveaux de sécurité actuels, même pour une exposition à long terme ou indéfinie. En dehors du récepteur, il est bien inférieur aux niveaux à long terme de l’OSHA. Plus de 95% de l’énergie du faisceau tombera sur le rectenna. L’énergie micro-ondes restante sera absorbée et dispersée dans les normes imposées actuellement pour les émissions de micro-ondes dans le monde entier. Pour l’efficacité du système, il est important de concentrer autant de rayons micro-ondes que possible sur le rectenna. En dehors du rectenna, les intensités des micro-ondes diminuent rapidement, de sorte que les villes proches ou toute autre activité humaine ne devraient pas être affectées.
L’exposition au faisceau peut être minimisée par d’autres moyens. Au sol, l’accès physique est contrôlable (par exemple, par des clôtures), et les avions qui traversent la poutre fournissent aux passagers une coque métallique protectrice (une cage de Faraday) qui intercepte les micro-ondes. D’autres aéronefs (ballons, ultra-légers, etc.) peuvent éviter l’exposition en observant les espaces de contrôle du vol, comme c’est actuellement le cas pour les espaces aériens militaires et autres espaces aériens contrôlés. L’intensité du faisceau de micro-ondes au niveau du sol au centre du faisceau serait conçue et intégrée physiquement dans le système; tout simplement, l’émetteur serait trop éloigné et trop petit pour pouvoir augmenter l’intensité à des niveaux dangereux, même en principe.
De plus, une contrainte de conception est que le faisceau de micro-ondes ne doit pas être trop intense pour blesser la faune, en particulier les oiseaux. Les expériences d’irradiation délibérée par micro-ondes à des niveaux raisonnables n’ont pas montré d’effets négatifs sur plusieurs générations. Des suggestions ont été faites pour localiser les rectennas en mer, mais cela pose de sérieux problèmes, notamment la corrosion, les contraintes mécaniques et la contamination biologique.
Une approche généralement proposée pour assurer le ciblage par faisceau à sécurité intégrée consiste à utiliser une antenne réseau à commande de phase rétrodirective / rectenna. Un faisceau hyperfréquence « pilote » émis par le centre de la rectenne au sol établit un front de phase au niveau de l’antenne émettrice. Là, des circuits dans chacune des sous-réseaux de l’antenne comparent le front de phase du faisceau pilote à une phase d’horloge interne pour contrôler la phase du signal sortant. Cela oblige à centrer précisément le faisceau transmis sur le rectenna et à avoir un degré élevé d’uniformité de phase;Si le faisceau pilote est perdu pour une raison quelconque (par exemple, si l’antenne émettrice est éloignée du rectenna), la valeur de contrôle de phase échoue et le faisceau d’énergie hyperfréquence est automatiquement défocalisé. Un tel système serait physiquement incapable de focaliser son faisceau électrique où que ce soit sans émetteur de faisceau pilote. Les effets à long terme de la puissance de rayonnement à travers l’ionosphère sous la forme de micro-ondes doivent encore être étudiés, mais rien n’a été suggéré qui puisse conduire à un effet significatif.