Bien que les premiers engins spatiaux aient recours à des batteries primaires ou à des panneaux solaires rigides rudimentaires, la prochaine génération de missions – de la porte lunaire aux transports de marchandises de Mars – exige des réseaux plus légers, plus efficaces, beaucoup plus déployables et résilients aux environnements extrêmes. Cet article examine les nouvelles technologies de réseaux solaires qui transforment la production d'énergie dans l'industrie spatiale.

Principaux moteurs de l'innovation dans les installations solaires spatiales

Plusieurs facteurs interdépendants poussent la technologie du réseau solaire au-delà des architectures de panneaux rigides traditionnelles. Comprendre ces facteurs fournit le contexte pour les progrès technologiques spécifiques discutés plus tard.

La puissance spécifique (W/kg) est sans doute la mesure la plus critique. Chaque kilogramme enregistré sur le tableau peut être redirigé vers une charge utile, un propulseur ou une structure. Pour les petits satellites et CubeSats, cela a ouvert la porte à des missions de grande puissance une fois réservées aux grandes plateformes.

L'efficacité du volume arrimé (W/m3) est tout aussi importante. Les carénages de lancement sont fixes et le volume de charge utile est une valeur ajoutée. Les ornements qui se resserrent et se déploient de façon fiable permettent de grandes aires de collecte sans nécessiter de fusées plus grandes.

La dureté de la radiation est une exigence non négociable pour les missions opérant dans les ceintures Van Allen, sur orbite géosynchrone (GEO) ou sur la surface lunaire. Les dommages causés par les protons et les électrons dégradent la performance cellulaire au fil du temps.

La tension opérationnelle devient un paramètre clé de conception. Les réseaux haute tension (300V à 600V et au-delà) permettent des systèmes de propulsion électrique à entraînement direct, éliminant les unités de traitement de puissance lourde.

Bien que les cellules multi-jonctions à haute efficacité soient de série pour les missions gouvernementales, les constellations commerciales exigent des solutions de rechange moins coûteuses qui offrent encore des performances robustes. Cette tension entre l'efficacité et le coût suscite l'intérêt pour les tandems perovskites et les cellules de silicium avancées pour les applications spatiales.

Architectures de cellules photovoltaïques par percée

Le noyau de tout réseau solaire est la cellule photovoltaïque elle-même. Ces dernières années ont vu des progrès remarquables dans l'efficacité au niveau cellulaire, entraînés par de nouveaux matériaux et techniques d'empilage.

Cellules solaires multi-fonctions (III-V)

En empilant des couches de phosphatide de galnium indium (InGaP), d'arsénide de galnium (GaAs) et de germanium (Ge), ces cellules captent un spectre plus large de lumière solaire que les cellules à simple jonction. Chaque couche est optimisée pour absorber une gamme de longueurs d'onde spécifique, convertissant plus de photons en électricité et gaspillant moins d'énergie comme chaleur.

Les gains d'efficacité record des cellules multi-jonctions concentrées ont dépassé 47 % dans des conditions de laboratoire, comme le rapporte Fraunhofer ISE[.Pour les applications spatiales, les cellules triple-jonctions, en treillis et en position verticale, produisent systématiquement des gains d'efficacité supérieurs à 30 % en quantités de production.

Cellules de perovskite et de tandem

Les cellules solaires de Perovskite sont apparues comme une force perturbatrice dans le photovoltaïque terrestre, et les applications spatiales commencent à prendre note. Les Perovskites offrent plusieurs avantages : elles peuvent être déposées sur des substrats flexibles légers, leur bandeau peut être réglé en ajustant la composition chimique, et elles ont une tolérance élevée aux défauts, ce qui se traduit par une résistance aux dommages radiologiques.

Les essais spatiaux des cellules perovskite se sont accélérés ces dernières années. Les échantillons effectués sur la Station spatiale internationale (ISS) dans le cadre de l'expérience de la Station spatiale internationale (MISSE) ont démontré une stabilité surprenante dans l'environnement orbital. Des chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) ont montré que les perovskites peuvent résister à de fortes doses d'irradiation par protons, un obstacle majeur pour la qualification spatiale.

L'architecture la plus prometteuse pour l'espace est le tandem perovskite-on-silicon, qui combine une cellule perovskite large avec une cellule bas en silicium conventionnelle. Cette configuration peut dépasser l'efficacité des cellules en silicium monojonction tout en exploitant l'infrastructure de fabrication existante.

Point quantique et photovoltaïque nanostructuré

Les cellules solaires à points quantiques exploitent la confinement quantique pour régler le bandgap du matériau absorbant. En variant la taille des points quantiques, les fabricants peuvent créer des cellules qui absorbent des longueurs d'onde spécifiques, permettant une capture multispectrale sans avoir besoin d'une croissance épitaxiale complexe. Alors que les cellules à points quantiques sont encore en phase de recherche, elles offrent des voies d'efficacité théoriques qui dépassent la limite Shockley-Queisser pour les dispositifs à juxte unique.

Innovations structurelles et mécaniques

Même la cellule la plus efficace est inutile si elle ne peut être déployée de manière fiable dans l'environnement difficile de l'espace. L'innovation structurelle est aussi importante que l'efficacité cellulaire pour déterminer les performances globales de la gamme.

Tableau de bord souple et de sortie (ROSA)

L'array solaire Roll-Out de la NASA (ROSA) représente un changement fondamental dans l'architecture des réseaux spatiaux. Au lieu de panneaux en nid d'abeille rigides repliés comme un accordéon, ROSA utilise une couverture flexible en photovoltaïque laminée sur un substrat polymère dur. La couverture est déroutée et tendue par un système de booms composites qui agissent à la fois comme supports structurels et mécanismes de déploiement. NASA a démontré que cette approche peut fournir une puissance spécifique plus élevée que les panneaux rigides tout en maintenant une excellente efficacité de volume arrimé.

ROSA et ses variantes commerciales sont désormais en service sur l'ISS, la mission DART, et l'élément de puissance et de propulsion de la porte d'entrée lunaire (EPI). La technologie est évolutive des petits réseaux satellites produisant quelques kilowatts aux grandes plateformes électriques produisant des centaines de kilowatts.

Origami et Z-Fold Installables

S'inspirant de l'origami, les ingénieurs développent des réseaux qui se replient en volumes extrêmement compacts et se déploient sans charnières ou moteurs complexes. Les modèles de pliage Miura-ori et Yoshimura permettent de regrouper un grand réseau en un petit volume plat rangé. Cette approche est particulièrement utile pour les petits satellites et CubeSats, où le volume est strictement limité.

Sails et tableaux solaires intégrés

Pour les missions spatiales profondes, le besoin simultané de puissance et de propulsion a conduit à des concepts intégrant des réseaux solaires avec des voiles solaires. Les photovoltaïques à couche mince déposés directement sur la membrane de la voile permettent à la même structure de gossamer de générer à la fois des poussées (de pression photonique) et de l'électricité. Le concept de mission Solar Cruiser, qui utilise une voile de 1 700 mètres carrés, transporterait des cellules solaires à couche mince pour alimenter les instruments et l'avionique de l'engin spatial pendant son voyage, éliminant ainsi la nécessité d'une structure de réseau séparée et lourde.

Ingénierie des matériaux pour les environnements extrêmes

L'environnement spatial est impitoyable. Les réseaux solaires doivent survivre à des oscillations de température extrêmes, à des radiations incessantes, à des impacts micrométéoroidiques et, pour des missions lunaires et martiennes, à des poussières abrasives.

Renfort et verre de couverture

Les protons et les électrons à haute énergie dégradent les cellules solaires en causant des dommages de déplacement dans le réseau semi-conducteur. Le verre de couverture en microfeuilles dopées au cérium fournit la défense primaire, absorbant les particules à faible énergie avant qu'elles ne atteignent la cellule. Les innovations en verre de couverture comprennent des revêtements antireflet qui assurent également une protection contre les décharges électrostatiques.

Technologies d'atténuation des poussières pour les missions lunaires et Mars

La poussière lunaire, ou regolith, est un problème persistant pour les systèmes d'alimentation en surface. Elle est très abrasive, chargée électrostatiquement et adhère fortement aux surfaces. La poussière accumulée sur les réseaux solaires entraîne une perte de puissance importante. Pour y remédier, la NASA et ses partenaires industriels développent des boucliers de poussière électrodynamiques (EDS). Ces systèmes utilisent des électrodes à haute tension intégrées dans la surface du réseau pour créer des champs électriques qui soulèvent et repoussent les particules de poussière. Testing on the ISS] a validé la technologie, et elle est intégrée dans les réseaux d'atterrissage et de rover lunaires prévus.

Au-delà de l'EDS, les revêtements antisoupapage et les surfaces hydrophobes sont adaptés à la technologie solaire terrestre pour l'utilisation spatiale. L'objectif est de maintenir la propreté des réseaux pendant les missions de surface de longue durée sans avoir à les nettoyer fréquemment.

Conditions de vélo thermique et de basse intensité à basse température

Les réseaux solaires en orbite terrestre basse peuvent subir des centaines de cycles thermiques par an, oscillant de -100°C en éclipse à +120°C en lumière du soleil. Ce cycle stresse les matériaux et les joints de soudure, entraînant fatigue et défaillance. Les rayons pour les missions lunaires et martiennes doivent également survivre à de longues périodes de froid. Les conditions de faible intensité, de basse température (LILT), rencontrées dans l'espace profond ou pendant les éclipses, peuvent entraîner des pertes de résistance parasitaire dans les cellules standard.

Synergies avec la puissance et la propulsion des engins spatiaux

Les réseaux solaires ne fonctionnent pas isolément. Leur conception est étroitement liée au système de gestion de l'énergie et à l'architecture de propulsion de l'engin spatial.

Les appareils spatiaux traditionnels utilisent des unités de traitement de puissance distinctes (PPU) pour réguler et augmenter la tension des réseaux de propulsion électrique. En concevant le réseau lui-même pour fonctionner à haute tension (300V-600V), le PPU peut être simplifié ou éliminé, ce qui permet d'économiser masse et coût. Cette approche, appelée propulsion électrique à entraînement direct, nécessite des réseaux capables de résister à haute tension sans arc dans l'environnement plasma spatial.

L'intégration de la puissance structurelle[ est une autre synergie émergente. Au lieu de traiter le réseau solaire et le bus spatial comme des systèmes séparés, les ingénieurs intègrent l'électronique de gestion de la puissance et même les batteries directement dans la structure du réseau. Cela réduit le câblage et les connecteurs, économise la masse et améliore la fiabilité.

Applications de mission et études de cas

Les technologies décrites ci-dessus ne sont pas théoriques; elles sont déployées aujourd'hui dans des missions et prévues pour les missions de demain.

Puissance de surface lunaire pour Artemis

Pour le pôle sud lunaire, où la lumière du soleil est abondante mais provient d'un angle bas, des tours verticales déployables et des couvertures horizontales ont été proposées. Des entreprises comme Astrobotic et Lockheed Martin développent des réseaux qui peuvent être déployés à partir d'un atterrisseur pour recueillir la lumière du soleil au-dessus du terrain local. L'atténuation de la poussière est une exigence primaire pour ces systèmes, car le régolith lunaire abrasif est mis en place pendant l'atterrissage et le roving.

Tugs de propulsion électrique solaire

L'Element de Puissance et Propulsion de la passerelle Lunar est le vaisseau spatial de propulsion solaire le plus puissant jamais construit. Il utilise des réseaux ROSA avancés générant 60 kW de puissance pour conduire des propulseurs à effet Hall. Ce système démontre l'évolutivité des réseaux de couverture flexibles pour les missions de haute puissance. L'EPI fera orbiter la Lune, fournissant puissance et propulsion pour la passerelle, et sert de banc d'essai pour les technologies nécessaires pour les futures missions Mars.

Missions scientifiques dans l'espace profond (Psyche, Lucy, Europa Clipper)

La mission Psychénique de la NASA, qui se déplace vers la ceinture d'astéroïdes, utilise des réseaux solaires en forme de croix qui génèrent environ 21 kW à la Terre et tombent à 3 kW à 3,3 UA. Les réseaux sont les plus importants jamais construits pour une mission dans l'espace profond. De même, les réseaux circulaires massifs de Lucy (24 pieds de diamètre) ont été conçus pour survivre à l'environnement thermique rude de l'orbite de Jupiter. Europa Clipper opère dans le champ de rayonnement intense de Jupiter, nécessitant des réseaux et des électroniques spécialement durcis.

Orientations futures de la recherche

Plusieurs initiatives de recherche à long terme promettent de transformer davantage les réseaux solaires spatiaux.

L'énergie solaire spatiale (SBSP) connaît une renaissance.Le concept de collecte de l'énergie solaire dans l'espace et de transmission sans fil à la Terre ou à d'autres engins spatiaux a été étudié depuis des décennies.Avec la baisse des coûts de lancement et les progrès de la transmission de l'énergie sans fil, SBSP devient économiquement viable.

Les rayons auto-guérison et auto-assemblage sont explorés pour améliorer la robustesse de la mission. Les dommages causés par les micrométéoroids peuvent créer de petites déchirures ou des fissures dans des réseaux flexibles. Les polymères autoguérisonnés et les circuits qui peuvent réparer ces dommages de façon autonome sont en cours de développement.

La gestion des rayons d'IA est une autre frontière. À mesure que les réseaux deviennent plus grands et plus complexes, la gestion de la distribution de puissance, la détection des défauts et l'optimisation du pointage deviennent une tâche à forte intensité de données.

Conclusion

La trajectoire de la technologie du réseau solaire spatial est claire : plus légère, plus efficace, plus robuste et plus intelligente. Des réseaux de couverture flexibles qui se déplaçaient d'un CubeSat à des cellules multi-jonctions qui repoussaient l'efficacité de 50%, les outils pour générer de l'énergie dans l'espace progressent rapidement.Ces technologies ne sont pas seulement des améliorations progressives; elles permettent des capacités qui étaient auparavant impossibles.