Un prototype d’énergie solaire spatiale, SSPD-1, a réalisé un transfert d’énergie sans fil dans l’espace et a transmis de l’énergie à la Terre. Le prototype, comprenant MAPLE, un émetteur micro-ondes léger et flexible, valide la faisabilité de l’énergie solaire spatiale, qui peut fournir une énergie abondante et fiable à l’échelle mondiale sans infrastructure de transmission au sol.
Un prototype d’énergie solaire spatiale qui a été lancé en orbite en janvier est opérationnel et a démontré sa capacité à transmettre sans fil de l’énergie dans l’espace et à transmettre de l’énergie détectable vers la Terre pour la première fois.
Le transfert d’énergie sans fil a été démontré par MAPLE, l’une des trois technologies clés testées par le Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1), le premier prototype spatial du Space Solar Power Project (SSPP) de Caltech. SSPP vise à récolter l’énergie solaire dans l’espace et à la transmettre à la surface de la Terre.
MAPLE, abréviation de Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment et l’une des trois expériences clés de SSPD-1, consiste en un réseau d’émetteurs de puissance micro-ondes légers et flexibles pilotés par des puces électroniques personnalisées qui ont été construites à l’aide de technologies de silicium à faible coût . Il utilise le réseau d’émetteurs pour transmettre l’énergie aux emplacements souhaités. Pour que le SSPP soit réalisable, les réseaux de transmission d’énergie devront être légers pour minimiser la quantité de carburant nécessaire pour les envoyer dans l’espace, flexibles pour qu’ils puissent se replier dans un emballage pouvant être transporté dans une fusée, et une technologie à faible coût. dans l’ensemble.
MAPLE a été développé par une équipe de Caltech dirigée par Ali Hajimiri, professeur Bren de génie électrique et de génie médical et codirecteur du SSPP.
« Grâce aux expériences que nous avons menées jusqu’à présent, nous avons reçu la confirmation que MAPLE peut transmettre avec succès de l’énergie à des récepteurs dans l’espace », déclare Hajimiri. «Nous avons également pu programmer le réseau pour diriger son énergie vers la Terre, ce que nous avons détecté ici à Caltech. Nous l’avions bien sûr testé sur Terre, mais maintenant nous savons qu’il peut survivre au voyage dans l’espace et y fonctionner.
En utilisant des interférences constructives et destructives entre les émetteurs individuels, une banque d’émetteurs de puissance est capable de déplacer le foyer et la direction de l’énergie qu’elle émet, sans aucune pièce mobile. Le réseau d’émetteurs utilise des éléments de commande de synchronisation précis pour concentrer dynamiquement la puissance de manière sélective sur l’emplacement souhaité en utilisant l’addition cohérente d’ondes électromagnétiques. Cela permet à la majorité de l’énergie d’être transmise à l’endroit désiré et nulle part ailleurs.
MAPLE dispose de deux réseaux de récepteurs séparés situés à environ un pied de l’émetteur pour recevoir l’énergie, la convertir en courant continu (CC) et l’utiliser pour allumer une paire de LED pour démontrer la séquence complète de transmission d’énergie sans fil à un distance dans l’espace. MAPLE a testé cela dans l’espace en allumant chaque LED individuellement et en se déplaçant d’avant en arrière entre elles. L’expérience n’est pas scellée, elle est donc soumise à l’environnement hostile de l’espace, y compris les fortes variations de température et le rayonnement solaire auxquels seront confrontées un jour les unités SSPP à grande échelle.
« À notre connaissance, personne n’a jamais démontré de transfert d’énergie sans fil dans l’espace, même avec des structures rigides coûteuses. Nous le faisons avec des structures légères flexibles et avec nos propres circuits intégrés. C’est une première », déclare Hajimiri.
MAPLE comprend également une petite fenêtre à travers laquelle le réseau peut transmettre l’énergie. Cette énergie transmise a été détectée par un récepteur sur le toit du laboratoire d’ingénierie Gordon et Betty Moore sur le campus de Caltech à Pasadena. Le signal reçu est apparu à l’heure et à la fréquence attendues, et avait le bon décalage de fréquence comme prévu en fonction de son déplacement depuis l’orbite.
Au-delà de la démonstration que les émetteurs de puissance pourraient survivre au lancement (qui a eu lieu le 3 janvier) et au vol spatial, et fonctionner toujours, l’expérience a fourni des informations utiles aux ingénieurs du SSPP. Les antennes de transmission de puissance sont regroupées en groupes de 16, chaque groupe étant piloté par une puce de circuit intégré flexible entièrement personnalisée, et l’équipe de Hajimiri évalue actuellement les performances des éléments individuels du système en évaluant les modèles d’interférence de groupes plus petits et en mesurant les différences entre les différents combinaisons. Le processus minutieux, qui peut prendre jusqu’à six mois, permettra à l’équipe de trier les irrégularités et de les retracer jusqu’aux unités individuelles, offrant ainsi un aperçu de la prochaine génération du système.
L’énergie solaire spatiale offre un moyen d’exploiter l’offre pratiquement illimitée d’énergie solaire dans l’espace, où l’énergie est constamment disponible sans être soumise aux cycles du jour et de la nuit, des saisons et de la couverture nuageuse, produisant potentiellement huit fois plus d’énergie que panneaux solaires à n’importe quel endroit de la surface de la Terre. Une fois pleinement réalisé, le SSPP déploiera une constellation de vaisseaux spatiaux modulaires qui collectent la lumière du soleil, la transforment en électricité, puis la convertissent en micro-ondes qui seront transmises sans fil sur de longues distances partout où cela est nécessaire, y compris des endroits qui n’ont actuellement pas accès à une alimentation fiable. .
« Les réseaux de transmission de puissance flexibles sont essentiels à la conception actuelle de la vision de Caltech pour une constellation de panneaux solaires en forme de voile qui se déploient une fois qu’ils atteignent l’orbite », déclare Sergio Pellegrino, Joyce et Kent Kresa Professeur d’aérospatiale et de génie civil et co-directeur du SSPP.
« De la même manière qu’Internet a démocratisé l’accès à l’information, nous espérons que le transfert d’énergie sans fil démocratisera l’accès à l’énergie », déclare Hajimiri. « Aucune infrastructure de transport d’énergie ne sera nécessaire au sol pour recevoir cette électricité. Cela signifie que nous pouvons envoyer de l’énergie dans des régions éloignées et des zones dévastées par la guerre ou une catastrophe naturelle.
Le SSPP a débuté en 2011 après que le philanthrope Donald Bren, président d’Irvine Company et membre à vie du conseil d’administration de Caltech, ait découvert pour la première fois le potentiel de la fabrication d’énergie solaire dans l’espace alors qu’il était jeune homme dans un article du magazine. Science populaire. Intrigué par le potentiel de l’énergie solaire spatiale, en 2011, Bren a approché le président de Caltech, Jean-Lou Chameau, pour discuter de la création d’un projet de recherche sur l’énergie solaire dans l’espace. Dans les années qui ont suivi, Bren et sa femme, Brigitte Bren, également administratrice de Caltech, ont accepté de faire le don pour financer le projet. Le premier des dons à Caltech (qui dépassera à terme les 100 millions de dollars en soutien au projet et aux chaires dotées) a été effectué par l’intermédiaire de la Fondation Donald Bren.
« Le travail acharné et le dévouement des brillants scientifiques de Caltech ont fait progresser notre rêve de fournir au monde une énergie abondante, fiable et abordable au profit de toute l’humanité », a déclaré Bren.
« La transition vers les énergies renouvelables, critique pour l’avenir du monde, est aujourd’hui limitée par les défis du stockage et de la transmission de l’énergie. Le rayonnement de l’énergie solaire depuis l’espace est une solution élégante qui s’est rapprochée de la réalisation grâce à la générosité et à la prévoyance des Brens », a déclaré le président de Caltech, Thomas F. Rosenbaum. « Donald Bren a présenté un formidable défi technique qui promet un gain remarquable pour l’humanité : un monde alimenté par une énergie renouvelable ininterrompue. »
En plus du soutien reçu du Brens, Northrop Grumman Corporation a également fourni à Caltech 12,5 millions de dollars sur trois ans dans le cadre d’un accord de recherche sponsorisé entre 2014 et 2017 qui a soutenu le développement de la technologie et l’avancement de la science pour le projet.
« La démonstration du transfert d’énergie sans fil dans l’espace à l’aide de structures légères est une étape importante vers l’énergie solaire spatiale et un large accès à celle-ci à l’échelle mondiale », déclare Harry Atwater, Otis Booth Leadership Chair of Division of Engineering and Applied Science ; professeur Howard Hughes de physique appliquée et de science des matériaux; directeur de la Liquid Sunlight Alliance; et l’un des principaux chercheurs du projet. « Des panneaux solaires sont déjà utilisés dans l’espace pour alimenter le Station spatiale internationalepar exemple, mais pour lancer et déployer des réseaux suffisamment grands pour fournir de l’énergie à la Terre, SSPP doit concevoir et créer des systèmes de transfert d’énergie solaire ultra-légers, bon marché et flexibles.
Les unités SSPP individuelles se replieront en paquets d’environ 1 mètre cube de volume, puis se déploieront en carrés plats d’environ 50 mètres de côté, avec des cellules solaires d’un côté tournées vers le soleil et des émetteurs de puissance sans fil de l’autre côté tournés vers la Terre.
Un vaisseau spatial Momentus Vigoride lancé à bord d’un EspaceX fusée de la mission Transporter-6 a transporté SSPD de 50 kilogrammes dans l’espace. Momentus fournit un support de charge utile hébergé en continu à Caltech, y compris la fourniture de données, de communication, de commande et de télémétrie, ainsi que des ressources pour une prise de vue optimale et un éclairage des cellules solaires. L’ensemble complet des trois prototypes du SSPD a été imaginé, conçu, construit et testé par une équipe d’environ 35 personnes (professeurs, post-doctorants, étudiants diplômés et étudiants de premier cycle) dans les laboratoires de Caltech.
SSPD a deux expériences principales en plus de MAPLE : DOLCE (Expérience composite ultralégère déployable en orbite), une structure mesurant 6 pieds sur 6 pieds qui démontre l’architecture, le schéma d’emballage et les mécanismes de déploiement du vaisseau spatial modulaire ; et ALBA, une collection de 32 types différents de cellules photovoltaïques pour permettre une évaluation des types de cellules les plus efficaces dans l’environnement éprouvant de l’espace. Les tests ALBA des cellules solaires sont en cours et le SSPP n’a pas encore tenté de déployer DOLCE au moment de mettre sous presse. Les résultats de ces expériences sont attendus dans les mois à venir.