Le projet d’énergie solaire spatiale termine sa première mission dans l’espace avec des succès et des leçons
Il y a un an, le Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) de Caltech s’est lancé dans l’espace pour démontrer et tester trois innovations technologiques qui font partie de celles nécessaires pour faire de l’énergie solaire spatiale une réalité.
Le banc d’essai spatial a démontré la capacité de transmettre de l’énergie sans fil dans l’espace ; il a mesuré l’efficacité, la durabilité et le fonctionnement d’une variété de différents types de cellules solaires dans l’espace ; et a effectué un essai réel de la conception d’une structure légère et déployable pour fournir et maintenir les cellules solaires et les transmetteurs de puissance susmentionnés.
Aujourd’hui, la mission spatiale du SSPD-1 étant terminée, les ingénieurs sur Terre célèbrent les succès du banc d’essai et tirent d’importantes leçons qui aideront à tracer l’avenir de l’énergie solaire spatiale.
« L’énergie solaire rayonnée depuis l’espace à des tarifs commerciaux, éclairant le globe, est encore une perspective d’avenir. Mais cette mission critique a démontré qu’elle devrait être un avenir réalisable », a déclaré le président de Caltech, Thomas F. Rosenbaum, le président de la présidence de Sonja et William Davidow et professeur de physique.
SSPD-1 représente une étape majeure dans un projet en cours depuis plus d’une décennie, attirant l’attention internationale comme une avancée tangible et très médiatisée pour une technologie recherchée par plusieurs pays. Il a été lancé le 3 janvier 2023 à bord d’un vaisseau spatial Momentus Vigoride dans le cadre du Caltech Space Solar Power Project (SSPP), dirigé par les professeurs Harry Atwater, Ali Hajimiri et Sergio Pellegrino. Il se compose de trois expériences principales, chacune testant une technologie différente :
- DOLCE (Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment) : une structure mesurant 1,8 mètres sur 1,8 mètres qui démontre la nouvelle architecture, le schéma d’emballage et les mécanismes de déploiement du vaisseau spatial modulaire évolutif qui constituera à terme une constellation à l’échelle kilométrique pour servir de centrale électrique.
- ALBA : une collection de 32 types différents de cellules photovoltaïques (PV) pour permettre une évaluation des types de cellules capables de résister à des environnements spatiaux difficiles.
- MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) : une gamme d’émetteurs de puissance micro-ondes flexibles et légers basés sur des circuits intégrés personnalisés avec un contrôle de synchronisation précis pour concentrer la puissance de manière sélective sur deux récepteurs différents afin de démontrer la transmission de puissance sans fil à distance dans l’espace. .
« Ce n’est pas que nous n’avons pas déjà de panneaux solaires dans l’espace. Les panneaux solaires sont utilisés pour alimenter la Station spatiale internationale, par exemple », déclare Atwater, président du leadership Otis Booth de la Division de l’ingénierie et des sciences appliquées ; Professeur Howard Hughes de physique appliquée et de science des matériaux ; directeur de la Liquid Sunlight Alliance; et l’un des chercheurs principaux du SSPP. « Mais pour lancer et déployer des panneaux suffisamment grands pour fournir une énergie significative à la Terre, le SSPP doit concevoir et créer des systèmes de transfert d’énergie solaire ultra-légers, bon marché, flexibles et déployables. »
DOLCE : Déployer la structure
Bien que toutes les expériences à bord du SSPD-1 aient finalement été couronnées de succès, tout ne s’est pas déroulé comme prévu. Pour les scientifiques et les ingénieurs qui ont dirigé cet effort, c’était exactement le but recherché. L’environnement de test authentique du SSPD-1 a fourni l’occasion d’évaluer chacun des composants et les informations recueillies auront un impact profond sur les futures conceptions de panneaux solaires spatiaux.
Par exemple, lors du déploiement de DOLCE, qui devait durer trois à quatre jours, l’un des fils reliant les flèches diagonales aux coins de la structure, qui permettaient son déploiement, s’est accroché. Cela a bloqué le déploiement et endommagé la connexion entre l’un des barrages et la structure.
Le temps presse, l’équipe a utilisé des caméras sur DOLCE ainsi qu’un modèle fonctionnel à grande échelle de DOLCE dans le laboratoire de Pellegrino pour identifier et tenter de résoudre le problème. Ils ont établi que le système endommagé se déploierait mieux s’il était chauffé directement par le Soleil et également par l’énergie solaire réfléchie par la Terre.
Une fois les flèches diagonales déployées et la structure entièrement déroulée, une nouvelle complication est apparue : une partie de la structure s’est coincée sous le mécanisme de déploiement, ce qui n’avait jamais été observé lors d’essais en laboratoire. Grâce aux images des caméras DOLCE, l’équipe a pu reproduire ce type de brouillage en laboratoire et a développé une stratégie pour y remédier. En fin de compte, Pellegrino et son équipe ont achevé le déploiement grâce à un mouvement des actionneurs de DOLCE qui ont fait vibrer toute la structure et ont libéré le blocage. Selon Pellegrino, les leçons de cette expérience éclaireront le prochain mécanisme de déploiement.
« Le test spatial a démontré la robustesse du concept de base, ce qui nous a permis de réaliser un déploiement réussi malgré deux anomalies », déclare Pellegrino, Joyce et Kent Kresa, professeur d’aérospatiale et de génie civil et codirecteur du SSPP. « Le processus de dépannage nous a donné de nombreuses nouvelles informations et nous a fortement concentrés sur la connexion entre notre structure modulaire et les flèches diagonales. Nous avons développé de nouvelles façons de contrer les effets du poids propre dans les structures déployables ultralégères. »
ALBA : Récolter l’énergie solaire
Pendant ce temps, les performances photovoltaïques de trois classes entièrement nouvelles de cellules solaires ultralégères de qualité recherche, dont aucune n’avait jamais été testée en orbite auparavant, ont été mesurées au cours de plus de 240 jours de fonctionnement par l’équipe ALBA, dirigée par Atwater. Certaines des cellules solaires ont été fabriquées sur mesure à l’aide des installations des laboratoires SSPP et du Kavli Nanoscience Institute (KNI) de Caltech, ce qui a donné à l’équipe un moyen fiable et rapide de préparer rapidement de petits appareils de pointe pour le vol. Dans le cadre de travaux futurs, l’équipe prévoit de tester des cellules de grande surface fabriquées à l’aide de méthodes de fabrication peu coûteuses et hautement évolutives, susceptibles de réduire considérablement à la fois la masse et le coût de ces cellules solaires spatiales.
Les cellules solaires spatiales actuellement disponibles dans le commerce sont généralement 100 fois plus chères que les cellules et modules solaires largement déployés sur Terre. En effet, leur fabrication fait appel à une étape coûteuse appelée croissance épitaxiale, au cours de laquelle des films cristallins poussent dans une orientation spécifique sur un substrat. L’équipe de cellules solaires du SSPP a réalisé des cellules spatiales non épitaxiales à faible coût en utilisant des processus de production bon marché et évolutifs comme ceux utilisés pour fabriquer les cellules solaires en silicium d’aujourd’hui. Ces processus utilisent des matériaux semi-conducteurs composés de haute performance, tels que l’arséniure de gallium, qui sont généralement utilisés aujourd’hui pour fabriquer des cellules spatiales à haut rendement.
L’équipe a également testé des cellules à pérovskite, qui ont retenu l’attention des fabricants d’énergie solaire parce qu’elles sont bon marché et flexibles, ainsi que des concentrateurs solaires luminescents susceptibles d’être déployés dans de grandes feuilles de polymère flexibles.
Au cours de la durée de vie d’ALBA, l’équipe a collecté suffisamment de données pour pouvoir observer les changements dans le fonctionnement de cellules individuelles en réponse à des événements météorologiques spatiaux tels que les éruptions solaires et l’activité géomagnétique. Ils ont constaté, par exemple, une énorme variabilité dans les performances des cellules à pérovskite, alors que les cellules à base d’arséniure de gallium à faible coût ont toujours de bonnes performances globales.
« Le SSPP nous a donné une opportunité unique de mettre en orbite des cellules solaires directement du laboratoire de Caltech, accélérant ainsi les tests dans l’espace qui auraient normalement pris des années. Ce type d’approche a considérablement réduit la durée du cycle d’innovation pour l’espace. technologie solaire », déclare Atwater.
MAPLE : Transfert d’énergie sans fil dans l’espace
Enfin, comme annoncé en juin, MAPLE a démontré sa capacité à transmettre de l’énergie sans fil dans l’espace et à diriger un faisceau vers la Terre, pour la première fois sur le terrain. Les expériences MAPLE se sont poursuivies pendant huit mois après les démonstrations initiales et, dans les travaux ultérieurs, l’équipe a poussé MAPLE à ses limites pour exposer et comprendre ses faiblesses potentielles afin que les leçons apprises puissent être appliquées à la conception future.
Une vue de l’intérieur de MAPLE, qui démontrera la transmission d’énergie sans fil dans l’espace. Cet angle montre à la fois la gamme d’émetteurs de puissance micro-ondes flexibles et légers (côté droit) et les deux récepteurs auxquels ils transmettront la puissance (côté gauche). Le récepteur supérieur reçoit de l’énergie sur cette image et il est éclairé par cette énergie transmise sans fil.
L’équipe a comparé les performances du réseau au début de la mission avec ses performances à la fin de la mission, lorsque MAPLE a été intentionnellement stressé. Une baisse de la puissance totale transmise a été observée. De retour en laboratoire sur Terre, le groupe a reproduit la chute de puissance, en l’attribuant à la dégradation de quelques éléments de transmission individuels dans le réseau ainsi qu’à certaines interactions électriques et thermiques complexes dans le système.
« Ces observations ont déjà conduit à des révisions dans la conception de divers éléments de MAPLE afin de maximiser ses performances sur de longues périodes », explique Hajimiri, professeur Bren de génie électrique et de génie médical et codirecteur du SSPP. « Les tests dans l’espace avec SSPD-1 nous ont donné plus de visibilité sur nos angles morts et plus de confiance dans nos capacités. »
SSPP : Aller de l’avant
Le SSPP a débuté après que le philanthrope Donald Bren, président d’Irvine Company et membre à vie de la communauté Caltech, ait découvert pour la première fois le potentiel de la fabrication d’énergie solaire spatiale alors qu’il était jeune homme dans un article paru dans Science populaire revue. Intrigué par le potentiel de l’énergie solaire spatiale, Bren a contacté Jean-Lou Chameau, alors président de Caltech, en 2011 pour discuter de la création d’un projet de recherche sur l’énergie solaire spatiale. Dans les années qui ont suivi, Bren et son épouse, Brigitte Bren, administratrice de Caltech, ont accepté de faire une série de dons (générant un engagement total de plus de 100 millions de dollars) par l’intermédiaire de la Fondation Donald Bren pour financer le projet et doter un certain nombre de Professeurs Caltech.
« Le travail acharné et le dévouement des brillants scientifiques de Caltech ont permis de réaliser notre rêve de fournir au monde une énergie abondante, fiable et abordable pour le bénéfice de toute l’humanité », a déclaré Donald Bren.
En plus du soutien reçu des Brens, Northrop Grumman Corporation a fourni à Caltech 12,5 millions de dollars entre 2014 et 2017 dans le cadre d’un accord de recherche sponsorisé qui a aidé au développement technologique et fait progresser la science du projet.
Alors que la mission du SSPD-1 touchait à sa fin, le banc d’essai a interrompu les communications avec la Terre le 11 novembre. Le véhicule Vigoride-5 qui hébergeait le SSPD-1 restera en orbite pour soutenir la poursuite des tests et la démonstration des moteurs de propulseur électrothermique à micro-ondes du véhicule qui utilisent de l’eau distillée. comme propulseur. Il finira par se désorbiter et se désintégrer dans l’atmosphère terrestre.
Pendant ce temps, l’équipe SSPP continue de travailler en laboratoire, étudiant les retours du SSPD-1 pour identifier la prochaine série de défis de recherche fondamentale que le projet devra relever.
Image du haut : La structure DOLCE entièrement déployée, au-dessus de l’Arctique canadien, le 29 septembre 2023. Les longerons et lattes TRAC de la structure DOLCE sont clairement visibles au-dessus de la glace arctique. Les connecteurs de lattes en fibre de verre brillent sous le soleil (partie droite).