Centrales solaires orbitales

Un peu de fiction (pour l'instant?) optimiste avec une idée assez ancienne qui revient à la mode :
http://spacesolarpower.files.wordpress.com/2007/10/final-sbsp-interim-assessment-release-01.pdf
Ca parle de stations orbitales de 300 habitants...

Bonne lecture 8-)

Pour ceux qui préfèreraient lire un résumé (actualité spatiale du jour):
http://environment.newscientist.com/article/dn12774-pentagon-backs-plan-to-beam-solar-power-from-space.html
à+

Intéressant ;)
Par contre, il faut se laisser rêver.

Parce que si on regarde, à court et à moyen terme, ça serait déjà pas mal que l'on soit assuré que l'ISS héberge bien, sans arrêts, ces 6 astronautes... :(

Voilà un article de presse bien plus riche en commentaires + quelques liens sympa:

http://www.msnbc.msn.com/id/21253268/

"If space solar power takes off, everything that came before — Apollo, the shuttle, the station, all together — will look like a college science project," Miller told msnbc.com. "It's that much bigger."
à+

Je ne sais pas si l'expression "killer application" est très heureuse de la part de l'USAF et du Pentagone...

Ce genre de chose m'a toujours paru être une coûteuse chimère (comment est-ce que ça pourrait être moins couteux que des champs de panneaux solaires sur Terre ? Il y a suffisamment de déserts aux USA), mais évidemment, s'il y a aussi des applications militaires...
Et comme ils disent, les conditions économiques ont changé depuis les années 70, il me semble intéressant de réexaminer périodiquement ces vieilles idées en fonction des progrès.
De plus, il me semble avoir vu passer une étude de l'ESA sur le sujet, et ça ne paraissait pas si absurde, je vais essayer de retrouver ça dans mes archives.

Sinon, pour donner des idées, c'est ici :
http://www.msnbc.msn.com/id/19957446/

Accessoirement, si on va vers Mars avec une propulsion solaire-électrique, une fois sur place, on dispose automatiquement d'une centrale électrique de 10 ou 20 MW, voire plus. Autant la laisser en orbite stationnaire martienne (environ 17000 km) toujours en vue du site d'atterrisage, et acheminer l'énergie vers la surface par un faisceau micro-ondes pour les besoins de l'expédition, qui dispose ainsi d'une source d'énergie assez concentrée, disponible jour et nuit (sauf pendant quelques courtes périodes au voisinage des équinoxes où la station peut passer dans l'ombre de la planète pendant quelques heures). Etant donné que l'énergie peut être concentrée dans un faisceau assez étroit, la masse et la surface de la station de réception devrait être avantageuse, d'autant plus qu'on a probablement pas besoin de tout capter. Même plus besoin d'un réacteur nucléaire en surface.

C'est un argument fort pour décider d'emprunter cette voie. La convergence: VASIMIR, SEP, centrales solaires orbitales, faisceau micro-ondes pour alimenter en énergie une expédition sur Mars ou sur la Lune ou ailleurs... ça commence à peser lourd. Je pense que c'est cette solution qui devrait l'emporter (sur la propulsion nucléaire et en complément de la propulsion classique, chimique).

Réflexion du jour: les concentrateurs cylindro-paraboliques sont beaucoup moins exigeants que les paraboliques pour "suivre" le Soleil alors qu'ils offrent une concentration qui peut être suffisante pour les photopiles hautes températures (qui atteignent en rendement, de mémoire, plus de 40%).
à+

Ca y est, j'ai retrouvé l'étude ESA dont je parlais plus haut :
http://www.esa.int/gsp/ACT/nrg/op/SPS/index.htm
http://www.esa.int/gsp/ACT/doc/POW/ACT-RPR-NRG-2005-RASTS-SPS_for_21st_Century_Energy_Systems.pdf

Pour que les centrales solaires orbitales aient une chance d'être économiquement viables en tant que source d'énergie pour la Terre, il faudrait que le coût de lancement en orbite géostationnaire descende en dessous de 1000 Eur/kg...
Pas gagné cette affaire.

Reste les applications en tant que source d'énergie pour la Lune ou Mars, où la logique est différente (surtout si dans le cas de Mars il s'agit de la centrale qui alimentait la propulsion d'un vaisseau).

A+

D'un point de vue économique il vaudrait peut être mieux couvrir quelques Km2 de désert de cellules solaires que d'essayer d'envoyer ce genre de machin en l'air.
Blague à part, toutes les études sérieuses montrent que c'est un gentil délire. Le sujet ressort tous les 10, 15 ans. C'est un des 'marronniers' du spatial. Sans rentrer dans des considérations trop techniques, le rendement est catastrophique (cellules ou autre (thermique) plus transmission) et les problèmes pour garder une densité de faisceau acceptable sont inombrables. Juste pour en donner une idée, pointer une surface de quelques km2 depuis une orbite géostationnaire demande une sacrée précision...

Bons Vols.

DeepThroat a écrit:D'un point de vue économique il vaudrait peut être mieux couvrir quelques Km2 de désert de cellules solaires que d'essayer d'envoyer ce genre de machin en l'air.
Blague à part, toutes les études sérieuses montrent que c'est un gentil délire. Le sujet ressort tous les 10, 15 ans. C'est un des 'marronniers' du spatial. Sans rentrer dans des considérations trop techniques, le rendement est catastrophique (cellules ou autre (thermique) plus transmission) et les problèmes pour garder une densité de faisceau acceptable sont inombrables. Juste pour en donner une idée, pointer une surface de quelques km2 depuis une orbite géostationnaire demande une sacrée précision...

Bons Vols.

Le document cité en début de sujet n'étant plus accessible, ci-joint un autre lien pour le lire :
http://www.space-frontier.org/Presentations/SBSPInterimAssesment0.1.pdf
Hormis le blabla chauviniste post 9/11 dont il est imprégné, il est fort intéressant à lire, et ce pour plusieurs raisons :

• ta remarque sur le caractère délire de ce genre de projets est justifié à 100% quand on examine ce genre de projets avec la configuration, le contexte et les technologies de années 70 (coûts élevés de mise en orbite, rendement photovoltaïque médiocre, puissance électrique par unité de masse médiocre, rendement de conversion en µondes médiocre et bas coût des énergies fossiles).

• avec les technologies photovoltaïques actuelles (rendement électrique, puissance par unité de masse beaucoup plus élevés), le rendement actuel de conversion en µondes proche de 90% et l’orientation des faisceaux µondes par contrôle de phase, seul le paramètre coût élevé de la mise en orbite constitue encore un obstacle économique, mais il existe déjà un marché de niche (centre urbains prêt à payer très cher leurs derniers kWh ou les militaires qui payent parfois le kWh à 1$). Pas de quoi justifier la mise de départ en somme.

• au delà d'une certaine puissance par unité de masse des cellules photovoltaïques (ce qui est encore expérimental dans les labos, voir le fil de discussion sur les capteurs en films minces), les centrales orbitales révèlent leur supériorité économique sur toutes les autres technologies, y compris le photovoltaïque au sol, et y compris aux coûts actuels de mises en orbite. Et ce pour une raison simple : en GEO, pas de nuages, pas de nuits, pas d'hivers, pas d'atmosphère, orientation normale permanente au flux solaire ! Flux solaire : 1366W/m² pendant 99% du temps, contre moins de 300 au sol. Le seuil (disponibilité des cellules) semble se situer en 2020.

Dernier point, les centrales solaires au sol nécessiteraient une telle surface (compte tenu de leur productivité médiocre) qu'elles auraient une influence environnementale négative notable sur l'albédo terrestre.

avec les technologies photovoltaïques actuelles
(rendement électrique, puissance par unité de masse beaucoup plus
élevés), le rendement actuel de conversion en µondes proche de 90% et
l’orientation des faisceaux µondes par contrôle de phase, seul le
paramètre coût élevé de la mise en orbite constitue encore un obstacle
économique, mais il existe déjà un marché de niche (centre urbains prêt
à payer très cher leurs derniers kWh ou les militaires qui payent
parfois le kWh à 1$). Pas de quoi justifier la mise de départ en somme.

Navré, mais nous ne devons pas avoir les mêmes références: Le rendement électrique des meilleures cellules actuelles (triple jonction) est de l'ordre de 30% début de vie. Le rendement de conversion µondes des meilleurs tubes actuels est de l'ordre de 50 %, les SSPA ne dépassent pas 30% et sont totalement hors course côté niveau de puissance. Le rendement de l'optique (laser) est de l'ordre de quelques %. A l'arrivée il faut effectuer une conversion inverse dont le rendement n'est pas meilleur. Donc si on considère les meilleurs chiffres disponibles on tourne avec un rendement de l'ordre de: 0.3x0.5x0.5=7.5%. Soit pour 1366 W/m2: 102W/m2 récupérés.
Avec la valeur de flux au sol de 300 at les mêmes triples jonctions on arrive a la même valeur. Certes il faut qu'il fasse jour, mais la valeur de 300W/m2 est une valuer moyenne bien inférieure à ce que l'on reçoit dans le désert.
Pour être tout à fait objectif, les valeurs de rendement en réception sont largement inférieures à 50% et l'évaluation du système spatial est déja très optimiste.

Côté considérations spatiales il y a quelques petites questions à régler:

en GEO, pas de nuages, pas de nuits, pas
d'hivers, pas d'atmosphère, orientation normale permanente au flux
solaire ! Flux solaire : 1366W/m² pendant 99% du temps, contre moins de
300 au sol.

D'abord il y a bien une nuit, même en GEO. Lorsque le satellite est derrière la terre il est dans la nuit. Compte tenu des distances cela correspond environ à 1/20 de l'orbite. On peut le négliger, je pinaille.
Par contre il y a une atmosphère à traverser par les µondes. Manque de bol elle absorbe très très bien au dessus de quelques GHz. Il y a un minimum d'absorption vers 8 GHz, mais pas de bol, c'est plein de bandes de communications. Dont, anecdotiquement, le DSN vers 8.4 GHz. Si on veut envoyer des MW il va falloir songer à s'installer ailleurs....et donc à réchauffer l'atmosphère....
Mais les ennuis ne sont pas finis...vue de la GEO une parcelle de 100 Kmx100Km demande une ouverture de faisceau de 3 µrad. Ca va faire une belle antenne en l'air...Et une précision de pointage du bouzin au moin 10 fois meilleure à appliquer à une structure de quelques KM2. C'est un truc d'homme....
Comme les ennuis ne vont jamais seuls et que l'on veut garder les panneaux pointés soleil il faut soit les motoriser pour que l'antenne pointe toujours la même zone au sol, soit motoriser l'antenne ou contrôler le pointage du faisceau électroniquement. Si on choisit la deuxième solution pour ne pas créer des perturbations sur le pointage satellite et que l'on garde l'option du pointage électronique on est malheureusement ennuyé par l'angle que l'on peut couvrir avec une telle techno, inférieur à un demi hémisphère alors que l'on a besoin de quasiment deux au cours de l'orbite. On est donc conduit à une antenne en plusieur panneaux. Pour compliquer encore le problème, plus on dévie le faisceau plus le rendement de l'antenne décroit, à moins d'avoir des sources ayant un rayonnement parfaitement isotrope (assez rare...).

Au final le rendement global du système est plutôt mauvais et les problèmes technos restent là.....Et ce sans évoquer les watts à dissiper au niveau du système puisque au moins la moitié est convertie en thermique pur.
En plus des panneaux solaires il va falloir de jolis radiateurs.

Je crains que tout cela ne nous emmène un peu au dela de 2020....

Je sais, je suis très pessimistes.

Pour l'anecdote, l'ISU qui est à Strasbourg, a conduit ce genre d'étude durant la session d'été de 1992. Le rapport est disponible en ligne.

Bons Vols

Je ne sais pas si tu as survolé les deux pdf que j'ai donné en références, mais j'ai l'impression que tes données ont une quinzaine d'années de retard sur l'état de l'art. Ta description est correcte pour 1992, mais dépassée pour 2006-2007 à mon avis. (fréquences, rendements, puissances par unité de masse et géométries des capteurs et des antennes).
Jette un coup d'oeil sur :
http://www.space-frontier.org/Presentations/SBSPInterimAssesment0.1.pdf
puis sur :
http://www.hapcos.org/DOCS/download.php?id=81&type=pdf
et donnes moi ton avis STP.

Amicalement,

Henri

Je ne sais pas si tu as survolé les deux pdf que j'ai donné en références, mais j'ai l'impression que tes données ont une quinzaine d'années de retard sur l'état de l'art. Ta description est correcte pour 1992, mais dépassée pour 2006-2007 à mon avis. (fréquences, rendements, puissances par unité de masse et géométries des capteurs et des antennes).

Si, si, j'ai jeté un coup d'oeil. Le premier document est le genre de flute habituelle. Avec des 'statements' du genre: le groupe de travail a trouvé que construire une centrale solaire était une tâche complexe'....merci, c'est un grand pas en avant. Je n'y ai rien vu qui contredise ce que j'ai dit, chiffres à l'appui. Si j'ai manqué quelque chose merci de pointer le § en question. Ce même genre de document démontré que la navette était quasi donnée pour lancer des satellites.

Pour le deuxième, l'argument porte sur la masse du produit. Dont on admettra qu'il tient tout seul sans structure support....mais pas sur le rendement, qui si j'ai bien lu tourne autour de 9% pour le matériau amorphe. Même remarque que ci dessus si j'ai mal compris.

Enfin, si tu trouves un bilan de liaison étayé, avec des chiffres prouvés, je suis preneur. Pour ma part je maintiens les chiffres que j'ai affiché, et crois moi, j'aimerais bien trouver mieux....Je te renvois quand même au document de l'ISU qui était déja très prospectif à l'époque et qui présentait déja le genre de joyeux schéma montrant l'évolution depuis un démonstrateur jusuq'au gros jouet final.

Au risque d'être chagrin je crois bien que la physique n'a pas beaucoup changé depuis 1992...

Bons Vols

Au risque de jeté une pierre de plus dans la marre, j'aimerais partagé avec vous ce que j'ai appris la semaine dernière. Les étudiants de l'école de polytechnique de Montréal qui sont actuellement en route pour l'Australie avec leur voiture à propulsion totalement solaire, que l'énergie utilisée actuellement pour construire une cellule photoélectrique n'est pas récupérée lors de la vie utile de cette même cellule, donc elle ne délivrerait jamais l'énergie utilisée pour la construire.

Alpha a écrit:Au risque de jeté une pierre de plus dans la marre, j'aimerais partagé avec vous ce que j'ai appris la semaine dernière. Les étudiants de l'école de polytechnique de Montréal qui sont actuellement en route pour l'Australie avec leur voiture à propulsion totalement solaire, que l'énergie utilisée actuellement pour construire une cellule photoélectrique n'est pas récupérée lors de la vie utile de cette même cellule, donc elle ne délivrerait jamais l'énergie utilisée pour la construire.

Justement le rendement pourrait-il être positif :?:

Paradoxalement ( j'adore les paradoxes ;) ), j'ai comme l'impression que dans l'état actuel il est plus intéressant d'installer une centrale solaire en orbite martienne stationnaire (quel sigle donner à une telle orbite ?) pour alimenter une base martienne en énergie ou vers la Lune en un point de Lagrange pour une base lunaire .
Mais quand le prix du kg en GEO aura suffisamment baissé et l'énergie massique des capteurs augmenté, la donne changera: donc il ne faut quant-même pas mettre le sujet aux oubliettes des utopies et le réexaminer régulièrement en fonction des avancées technologiques.

Quelques chiffres ici sur la transmission d'énergie par micro-ondes :
http://www.satie.ens-cachan.fr/jeea2002/ArticlesPDF/Costa_EnergiePortable2002.pdf

lambda0 a écrit:Quelques chiffres ici sur la transmission d'énergie par micro-ondes :
http://www.satie.ens-cachan.fr/jeea2002/ArticlesPDF/Costa_EnergiePortable2002.pdf

Intéressant, il faudrait compiler toutes ces données disparates en ayant conscience que ce n'est pas le rendement global qui a de l'importance, mais la masse en orbite correspondant à la puissance en kW récupérée au sol. (et la durée de vie de la cellule aussi)
Au sujet de la remarque de Alpha sur l'énergie produite par une cellule et l'énergie consommée par sa confection, qui peut confirmer ? (S'il faut rajouter l'énergie pour sa mise en orbite... )

Henri a écrit:
Au sujet de la remarque de Alpha sur l'énergie produite par une cellule et l'énergie consommée par sa confection, qui peut confirmer ? (S'il faut rajouter l'énergie pour sa mise en orbite... )

C'est un peu surprenant, il me semblait que des panneaux photovoltaiques au silicium (donc les plus coûteux à fabriquer en énergie) amortissaient leur coût de fabrication en 3 ans environ. Pour des films souples, couches minces, etc., ça devrait être encore plus favorable.
Pour le coût énergétique de la mise sur orbite, il doit y avoir un calcul dans le document ESA que j'ai pointé plus haut et je n'avais pas l'impression que c'était un point bloquant (ce sont d'autres facteurs qui font que ce n'est pas viable économiquement).

A+

Quelques chiffres ici sur la transmission d'énergie par micro-ondes :

http://www.satie.ens-cachan.fr/jeea2002/ArticlesPDF/Costa_EnergiePortable2002.pdf

Ces chiffres confirment plutôt ceux que j'ai cité. Attention le fameux rendement de 100% en transmission ne concerne que la partie purement RF du problème, c'est en gros la condition pour que la totalité du faisceau émis soit focalisé sur l'antenne de réception. Cela ne concerne pas les rendements de conversion et encore moins l'atténuation atmosphérique. Quant au fameux facteur à amener à 2~3 pour y arriver, je vous laisse dimensionner la chose lorsque d est de l'ordre de 36000 Km.

Intéressant, il faudrait compiler toutes ces données disparates en ayant conscience que ce n'est pas le rendement global qui a de l'importance, mais la masse en orbite correspondant à la puissance en kW récupérée au sol. (et la durée de vie de la cellule aussi)

La masse des cellules n'est pas le facteur déterminant dans le bilan de masse de ce genre d'engin. Il y a quelques autres éléments à satelliser avec....
Et même si cela ne pesait rien, même si il était gratuit d'envoyer tout cela au bon endroit, cela ne résoudrait pas les problèmes de transmission.

ers la Lune en un point de Lagrange pour une base lunaire .

Les points de Lagrange ne sont pas des points stables. On se met en orbite autour d'eux selon une orbite dite de halo. Il y a toujours un problème de pointage du faisceau.

Bons Vols

DeepThroat a écrit:

en GEO, pas de nuages, pas de nuits, pas
d'hivers, pas d'atmosphère, orientation normale permanente au flux
solaire ! Flux solaire : 1366W/m² pendant 99% du temps, contre moins de
300 au sol.

D'abord il y a bien une nuit, même en GEO. Lorsque le satellite est derrière la terre il est dans la nuit. Compte tenu des distances cela correspond environ à 1/20 de l'orbite. On peut le négliger, je pinaille.

Pour le reste je ne me prononce pas (vu les chiffres différents avancés par chacun et n'ayant pas trop le temps d'investiguer moi même) mais concernant l'obscurité en GEO j'abonde plutôt dans le sens d'Henri, vue l'inclinaison entre équateur et écliptique et vue la distance il ne peut y avoir d'éclipse qu'aux alentours de l'équinoxe il me semble non ?

Steph a écrit:Pour le reste je ne me prononce pas (vu les chiffres différents avancés par chacun et n'ayant pas trop le temps d'investiguer moi même) mais concernant l'obscurité en GEO j'abonde plutôt dans le sens d'Henri, vue l'inclinaison entre équateur et écliptique et vue la distance il ne peut y avoir d'éclipse qu'aux alentours de l'équinoxe il me semble non ?

Oui, les satellites en GEO ont une éclipse de 70 minutes au maximum pendant les deux semaines précédant et les deux suivant les équinoxes de printemp et d'automne.
Le reste du temps, ils sont au soleil 24h/24.

vue l'inclinaison entre équateur et écliptique et vue la distance il ne peut y avoir d'éclipse qu'aux alentours de l'équinoxe il me semble non ?

http://artemmis.univ-mrs.fr/cybermeca/Formcont/mecaspa/COURS_SA/GEOSTAT/geostat.htm
"Le maximum de durée est autour des équinoxes, avec un maximum de l'ordre de 70 mn/jour.

On est dans l'ordre de grandeur que j'ai évalué: 70' par jour ~5%.

La période d'éclipse dure 42 jours en continu.

Si l'on interprète cela comme le nombre de jours durant lequel on a des éclipses (de 70mn/jour au maximum) et non comme une durée d'éclipse cumulée on aboutit à un cumul < 5%. D'où le fait que j'avais considéré cela comme était négligeable.

Mon point était uniquement de mentionner qu'il y avait quand même des nuits en GEO. D'ailleurs on dimensionne les batteries des satellites GEO autour de deux à trois heures d'occultation.

Bons Vols

Pour l'instant je cogite à poser le problème sous une forme un peu plus quantitative.
http://minilien.com/?cg7cAdKBNY (premier jet sous word)

Pour l'instant je cogite à poser le problème sous une forme un peu plus quantitative.

Va voir: http://www.isunet.edu/index.php?option=com_content&task=view&id=246&Itemid=251 tu gagneras du temps. C'est téléchargeable en pdf.

Bons Vols