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Sous le haut patronage de

Monsieur Christian Poncelet,
Président du Sénat,

et la présidence de

Monsieur Claude Gatignol,
Député de la Manche,
Président du groupe d'études sur les énergies

et de

Monsieur Henri Revol,
Sénateur de la Côte-d'Or,
Président du groupe d'étude de l'énergie du Sénat

Salle Monnerville au Sénat (Palais du Luxembourg) :

Le Député Claude GATIGNOL (à gauche)

Le Docteur John MANKINS (au centre)

Le Professeur Nobuyuki KAYA (à droite)

Présentation du Sunsat Energy Council
pour les Groupes Parlementaires "Energie"

de gauche à droite :

Guy PIGNOLET

Nobuyuki KAYA

John MANKINS

Leopold SUMMERER

Alain CELESTE

Didier VASSAUX

Présentations coordonnées par M. Didier Vassaux (Cnes) :

*Intégration des CSS dans les scénarios du futur, par Leopold Summerer (Sunsat, Esa)
* Technologies des Centrales Solaires Spatiales, par John Mankins (Sunsat, Nasa)
* Impact des CSS sur l'effet de serre, par Nobuyuki Kaya (Sunsat, Université de Kobé)
* Etapes pour le développement des CSS, par Alain Celeste (Sunsat, Université de la Réunion)
* Incidences industrielles du développement des CSS, par Guy Pignolet (Sunsat, Cnes)
* Démonstration fonctionnelle des CSS par l'équipe du Lycée Jean-Perrin

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Les textes complets des présentations du 21 mars 2003 sont disponibles sur demande à : sunsat@grandbassin.net

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Conclusions :

* Les CSS : une des options prometteuses pour les 50 ans à venir

* Les alternatives:

.. Nucléaire (avec retraitement) et fusion => prolifération, déchets
.. Dé-carbonisation des hydrocarbures classiques => non durable
.. Centrales solaires terrestres et éoliennes => limités à ~25%

* Peu d'influence sur le paysage énergétique jusqu'à ~2020

* Influence significative sur les options à considérer à partir de 2020

* Capacité de remplacer la majorité des centrales électriques à base de charbon autour de 2030/2050.

* Amélioration rapide des concepts depuis 20 ans
 - - réduction importante des coûts.

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Résumé

      Les Centrales Solaires Spatiales (CSS ou SSP Space Solar Power) sont des éléments qui s'intègrent dans nombre des systèmes et des infrastructures envisagés pour un futur spatial ambitieux. Depuis 1995, la NASA a réalisé des études conceptuelles et des analyses des systèmes et des technologies CSS. L'étude la plus récente, la "SERT" (SSP Exploratory Research and Technology), a fait appel à une équipe couvrant l'ensemble des domaines de l'agence spatiale américaine, avec une participation des industries aérospatiales, du secteur de l'énergie, d'autres agences gouvernementales, des Universités et de groupes bénévoles. Les résultats de l'étude SERT comprennent un portefeuille d'investissement dans les technologies pour les CSS, des filières de développement des technologies, des analyses et des schémas conceptuels, des prototypes technologiques, et des démonstrations au sol. Ce document présente un certain nombre de ces résultats et montre comment les CSS vont ouvrir la voie aux grandes activités spatiales du futur.

Introduction

      Les études récentes conduites par la NASA (National Aeronautics and Space Administration) sur les Centrales Solaires Spatiales (CSS) comprennent :

· une étude "Fresh Look" de 1995 à 1997
· une étude de définition de concepts en 1998
· l'étude SERT (SSP Exploratory Research and Technology) de 1999 à 2001.

      Près de trente concepts différents ont été analysés pendant l'étude "Fresh Look". Dans cet ensemble, le concept le plus intéressant apparaît être celui de la Tour Solaire (Sun Tower), ne configuration de quinze kilomètres de haut stabilisée par gradient de gravité, avec une concentration de l'énergie solaire par des lentilles de Fresnel gonflables. Diverses variantes de la Tour Solaire et d'autres idées ont été analysées au cours de l'étude de définition des concepts, et l'équipe coordinatrice CSS a incorporé plusieurs autres concepts technologiques en cours de développement au sein de l'agence. En 1999, l'étude SERT a démarré une recherche technologique ciblée et un programme de développement, elle a mené des analyses système et des études d'intégration, et développé des démonstrations système.

      Ce document décrit quelques-uns des concepts système et des prototypes technologiques, ainsi qu'une filière de développement pour les CSS. De plus, ce document développe les applications potentielles des concepts et des technologies CSS dans le cadre d'une industrialisation de l'espace.

Figure 1 : le Concentrateur Symétrique Intégré et le Solar Clipper

      La figure 1 montre deux exemples de concepts CSS : le "concentrateur symétrique intégré" (Integrated Symmetrical Concentrator ou ISC) et le "clipper solaire" (Solar Clipper). Le concept ISC est un système de 1,2 Gigawatt pour la fourniture d'électricité à des réseaux de distribution terrestres ou à diverses installations orbitales. Le "clipper solaire" est un concept dérivé de la Tour Solaire, pour la propulsion électrique solaire d'une navette martienne. Une fois en orbite autour de Mars, le clipper martien enverrait son énergie vers la surface de la planète pour alimenter des colonies humaines.

Approche

      Sur une période de 24 mois, une équipe équilibrée, aux compétences transverses, a mené des études et des analyses système; fait des recherches, des développements technologiques et des démonstrations sol. Au niveau programmatique, la répartition des lots de travail s'est faite comme suit :

A.0 Centrales solaires spatiales
B.1 Générateurs solaires (GS)
B.2 Transport d'Energie Sans Fil (TESF)
B.3 Conditionnement et distribution de l'énergie (CDE)
B.4 Structures, matériaux et contrôle
B.5 Matériaux et contrôle thermique
B.6 Assemblage robotique, entretien et service
B.7 Systèmes plate-forme
B.8 Segment énergie sol
B.9 Infrastructure et transport sol-orbite
B.10 Infrastructure et transport dans l'espace
B.11 Environnement et sécurité
B.12 Intégration système (analyse, ingénierie, modélisation)
B.13 Applications (sciences / exploration / commerce)
B.14 Etudes économiques et études de marché indépendantes

      Les sections qui suivent vont traiter des approches de l'analyse système, identifier les technologies requises par tous les systèmes CSS et décrire les prototypes technologiques pour les éléments B.1 à B.6 .

      Dans le futur, les pays en voie de développement, les colonies de l'espace et les grandes installations industrielles vont demander des quantités énormes d'énergie. Pour faire face à cette demande, les concepts des modèles de niveau MSC 4 devraient fournir une puissance d'environ un gigawatt. Les concepts du MSC 4 seraient les centrales spatiales. Une constellation de CSS en orbite géostationnaire (Geosynchro-nous Earth Orbit ou GEO) fournirait en électricité les consommateurs sur Terre et dans l'espace.

Conclusions :

      Un développement à grande échelle en direction des CSS peut ouvrir les portes d'un futur spatial riche en énergie, au profit des sciences, de l'exploration habitée, de l'industrialisation, de la colonisation de l'espace, et éventuellement des missions en dehors de notre système solaire. Les études SERT engendrent des produits comme un portefeuille d'investissements technologiques, des prototypes, des démonstrations, des concepts, des analyses, et des filières qui offrent toute une stratégie pour le développement des technologies et des systèmes CSS.

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1 - Le concept des Centrales Solaires Spatiales est simple

      Des panneaux photovoltaïques, des projecteurs de micro-ondes et des grands réflecteurs sont lancés sur l'orbite géostationnaire. L'électricité générée par les panneaux photovoltaïques de la CSS est convertie en micro-ondes, qui sont envoyées vers une antenne de collecte où elles sont reconverties pour les utilisateurs au sol. Une CSS pourra fournir plus d'un gigawatt à la Terre, l'équivalent d'une tranche de centrale nucléaire. Il y a trois facteurs à considérer pour l'environnement :

* Le premier est l'émission de CO² pendant la construction de la CSS, qui est un facteur important d'évaluation, car actuellement, il convient de réduire l'effet de serre pour protéger l'environnement terrestre.

* le second est l'effet sur les corps humains des faisceaux puissants de micro-ondes qui sont rayonnés par la CSS. Tout le monde peut faire le lien entre le faisceau d'énergie micro-ondes et le four micro-ondes de cuisine. Chaque fois que je fais une présentation sur les CSS, tout le monde me demande si les oiseaux qui voleront dans le faisceau finiront en " Yakitori " (brochettes de poulets grillés) comme les poulets cuits dans les fours micro-ondes de cuisine. Il est bon de se souvenir que la densité d'énergie des faisceaux de micro-ondes du TESF (Transport d'Energie Sans Fil par micro-ondes) est beaucoup plus faible que celle qui règne dans les fours micro-ondes, et qu'elle est bien incapable de cuire les oiseaux qui les traversent.

* Le troisième point est l'interférence du faisceau d'énergie micro-onde avec le plasma ionosphérique et les télécommunications.

Emission CO2 des différentes sources d'énergie

2 - Les activités de recherche au Japon

      Nous avons trois agences spatiales au Japon, la NASDA, l'ISAS, qui dépendent du Ministère de l'Education et l'USEF (Unmanned Space Experiment Free Flyer), qui dépend du Ministère de l'Economie, du Commerce et de l'Industrie (Ministry of Economy, Trade and Industry ou METI). Il y a en ce moment deux études indépendantes sur les Centrales Solaires Spatiales, qui sont menées par l'USEF et la NASDA. En ce qui concerne les projets de recherche, nous avons de nombreux concepts, des expérimentations avec des fusées que j'ai déjà mentionnées et des démonstrations de transport d'énergie par faisceaux micro-ondes, des évaluations des émissions CO² et des tests sur les effets biologiques des faisceaux micro-ondes. Pour les concepts CSS, nous avons plusieurs projets, comme le projet de maquettage SPS-2000 conçu par l'ISAS, les concepts USEF et NASDA, et notre concept "sandwich" de l'Université de Kobé. Les études pour le développement des technologies sont très actives, de même que les études d'impact environnementales et économiques.

      Le Transport d'Energie Sans Fil par micro-ondes est l'une des technologies essentielles pour la réalisation de centrales solaires spatiales. Nous avons réalisé de nombreuses expériences et démonstrations pour développer cette technologie. La première démonstration a été faite avec l'alimentation d'un avion modèle réduit au moyen d'un faisceau micro-ondes d'une puissance de 1 kW projeté depuis le toit d'une voiture qui suivait l'avion sous sa trajectoire. La direction du faisceau était pilotée en utilisant la technologie des réseaux phasés. L'avion a pu voler 20 secondes sur alimentation micro-ondes.

      La démonstration suivante a consisté à envoyer un faisceau de micro-ondes de 10 kW depuis le sol vers un petit ballon dirigeable muni de deux blocs propulsifs qui lui permettaient de monter et de descendre ou de changer de direction. L'antenne de projection avait un diamètre de 3 mètres. Les illustrations montrent les antennes de collecte et le ballon en vol, alimenté par les micro-ondes.

Alimentation d'un ballon dirigeable par TESF

      Nous avons en projet une démonstration TESF à très longue distance dans l'île de Hawaii, où l'on trouve de grandes montagnes à Mauï et dans les autres grandes îles. Nos plans sont de transporter de l'énergie par micro-ondes du Mont Haleakala vers Mauna Lea sur une distance de 120 kilomètres, ce qui est le quart de la distance entre une orbite basse et le sol. Nous pensons que cette expérience sera très utile pour les futures expériences de TESF depuis l'espace.

Le projet TESF test de transport sur 120 km à Hawaii

3 - En résumé

      Nous pensons que les Centrales Solaires Spatiales sont l'une des sources les plus prometteuses d'énergie pour l'avenir, et c'est une recommandation qui a été adoptée à la conférence UNISPACE-III organisée en 1999 par les Nations Unies. Les Centrales Solaires Spatiales peuvent fournir une électricité propre n'importe quand et n'importe où dans le monde, et nous pensons que des coopérations internationales sont essentielles et indispensables pour réaliser ces CSS. Nous encourageons les organisations concernées, dans le monde entier : a) à poursuivre les études techniques et économiques de faisabilité des CSS; b) à stimuler les coopérations internationales et les échanges concernant les CSS; c) à considérer sérieusement les centrales solaires spatiales pour nombre de sujets, par exemple en matière de santé, d'environnement, de gestion du spectre électromagnétique et d'allocation de fréquences, etc…

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Problématiques

      Le déploiement d'un grand nombre de centrales solaires orbitales, en orbite géostationnaire ou géosynchrone, pour la fourniture à grande échelle d'énergie pour notre planète ou pour les activités industrielles spatiales, nécessite que soit élaborée une stratégie de recherche et de développement s'appuyant sur des étapes de démonstration et de mise en service de systèmes opérationnels intermédiaires. L'énergie solaire spatiale est la première et certainement la plus importante des ressources extraterrestres qu'il est possible d'exploiter dans un avenir relativement proche. L'expérience acquise par l'Homme lors de la période de 40 années de programmes spatiaux qu'a connue notre espèce et qui autorise dorénavant la conquête de nouveaux espaces doit être mise à profit pour soutenir la mise en place de ces moyens d'exploitation.

      Beaucoup d'innovations technologiques sont nécessaires à la réalisation, soit des centrales solaires spatiales elles-mêmes, soit des moyens de transport, de fabrication et d'exploitation qui concourent à leur réalisation. Nous citons à titre d'exemple et de façon non exhaustive les grands domaines technologiques concernés et représentant aujourd'hui les challenges auxquels les chercheurs et ingénieurs devront se confronter dans le cadre de ce déploiement : - Transport spatial - Transport d'Energie Sans Fil (TESF) - Fabrication et déploiement de grandes structures (éléments structurels et fonctionnels) - Collecte et conversion de l'énergie solaire à haut rendement - Techniques de fabrication (matériaux, robotique) - Gestion énergétique et thermique - …

      Ces technologies nécessitent pour leur mise au point une recherche et des développements plus ou moins importants, mais toujours avec des tests en situation. D'autre part, plusieurs options sont également possibles pour le déploiement des centrales solaires orbitales, certaines plus consommatrices d'énergie que d'autres (essentiellement en termes de transport de matériaux). Pour celles retenues, il est nécessaire de mesurer leur capacité à être mises en situation opérationnelle le plus rapidement possible. Cette présentation s'attache à proposer une vision qui doit davantage être prise comme un exemple de stratégie, et dont le rôle est d'illustrer ou de faire la preuve que l'exploitation des ressources énergétiques spatiales est à notre portée, tout en permettant d'estimer le chemin et les efforts à accomplir pour y parvenir. La période de référence s'étend de nos jours jusqu'à la mise en service opérationnelle de la première centrale solaire orbitale en orbite terrestre géostationnaire. La date de cette mise en service est estimée à 2040 ou 2050.

Démonstrations terrestres

     Avant leur utilisation dans le cadre d'un système spatial, beaucoup de technologies peuvent être testées et améliorées dans le cadre de démonstrations terrestres. Il est également envisagé, et même souhaitable, que puissent émerger pour des marchés terrestres des utilisations des technologies développées dans le cadre de ces démonstrations, ce qui pourra avoir des effets bénéfiques sur les coûts et sur l'incitation à investir.

* Installation d'un système opérationnel de TESF à Grand-Bassin : les études de cas et les récents développements réalisés à l'Université de La Réunion, ainsi que le soutien et l'engagement de partenaires privés et institutionnels, peuvent rendre possible la réalisation industrielle et l'installation d'un système opérationnel de TESF point-à-point terrestre. Cette installation aura pour vocation la fourniture d'énergie électrique pour les gîtes touristiques du village et à ce titre, sera opérée commercialement. Elle aura également une vocation expérimentale, pour servir de base de test pour des composants ou des sous-systèmes en conditions opérationnelles. Une telle installation permettrait de tester la partie intégration environnementale et permettrait également d'observer et mesurer l'impact de cette technologie sur les éléments biologiques et végétaux, observation menée scientifiquement par des laboratoires spécialisés.

Le village de Grand-Bassin

Démonstrations en haute altitude ou en orbite basse (2005-2015)

* Alimentation par TESF d'une plate-forme haute altitude (avec pilotage du faisceau) : Plusieurs démonstrations ont déjà eu pour objet de tenter d'alimenter à distance des objets volants, essentiellement à basse altitude. Si certaines de ces démonstrations furent concluantes au point de vue conceptuel, validant la capacité de transmettre une énergie suffisante pour alimenter un drone ou un ballon dirigeable, aucune n'a permis d'aboutir à la validation des technologies de pointage électronique. D'autres points sont également à confirmer expérimentalement dans le cadre de ces démonstrations, notamment la capacité d'utiliser l'objet volant pour la transmission hertzienne de données tout en recevant de la puissance par un faisceau micro-onde, ainsi que la robustesse du système vis-à-vis d'un dépointage accidentel.

      Il reste donc un vaste champ d'expérimentation et de démonstration possible dans ce domaine, d'autant que récemment, plusieurs firmes ont réalisé des avancées significatives dans la fabrication de plates-formes à haute altitude sous la forme de ballons stratosphériques qui seront capables de rester en vol stationnaire à une altitude de 20 km. Ces ballons peuvent aisément être conçus pour accueillir une surface importante de radiopiles chargée de récupérer l'énergie provenant du sol par micro-ondes.

Développement spatial à partir de la Lune (2015-2040)

      La dimension des centrales solaires orbitales nécessite un nombre de lancements important afin de réunir autour d'une plate-forme initiale la surface de collecteurs et convertisseurs solaires, les convertisseurs micro-ondes et le réseau d'antenne de projection. La Lune fournit une alternative intéressante pour la production et l'acheminement dans des conditions économiques plus favorables d'une grande quantité de matériaux vers la plate-forme d'assemblage d'une centrale solaire orbitale en orbite géostationnaire.

Le développement à partir de la Lune

Et à plus long terme …

* Industrialisation des centrales solaires orbitales en orbite géostationnaire terrestre.

* Centrales solaires orbitales à l'échelle planétaire à partir d'orbites géostationnaires ou géosynchrones

* Centrales solaires orbitales pour exploration spatiale ou industrialisation spatiale

* Exploration et exploitation des ressources des astéroïdes

* Etc.

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Un rêve réaliste

      Aujourd'hui, les Centrales Solaires Spatiales ne sont encore qu'un rêve. Une Centrale Solaire Spatiale, des Centrales Solaires Spatiales au pluriel, sont des structures énormes, qui demandent la mise en oeuvre de moyens colossaux. Des systèmes opérationnels sont difficilement envisageables avant le milieu du siècle, donc à des échéances lointaines, beaucoup trop lointaines pour qu'aucun gouvernement ne puisse actuellement engager ne serait-ce que l'ombre d'un programme, beaucoup trop lointaines aussi pour qu'aucun industriel responsable ne puisse aujourd'hui s'impliquer techniquement ou économiquement dans un programme concret de Centrale Solaire Spatiale. Cependant, le rêve des Centrales Solaires Spatiales est réaliste.

La défense de la planète Terre

      Si nous voulons bien lever les yeux au-dessus d'une actualité quelque peu désordonnée, et prendre un recul de quelques décennies, cohérent avec la réflexion sur les Centrales Solaires Spatiales, nous ne pouvons que constater que notre monde est en pleine évolution, rapide, sur des plans conceptuels, économiques, industriels, et écologiques.

      L'écologie, c'est-à-dire la science des relations structurelles, était un sujet confidentiel jusqu'à ce que dans les années soixante, les sondes lunaires ne nous offrent les premières images de la "Planète Bleue", notre planète ! L'humanité était jusqu'alors une grande idée philosophique, ces images en ont fait une réalité concrète, mais elles nous ont aussi révélé la fragilité de notre condition. Sur le plan économique, depuis une quarantaine d'années, nous sommes en train de passer, et de plus en plus vite, d'une société moderne dont le développement était fondé sur l'industrie, à une nouvelle société de l'information, ce qui n'est pas sans conséquences pour les industriels, et en particulier les industriels des grands groupes.

      Les voies de l'économie se transforment sur la totalité de la planète, le communisme d'antan est mort et le capitalisme traditionnel vacille, tandis que les bases de données en temps réel et les modélisations complexes ouvrent des chemins vers de nouveaux modes de gestion. Nous sommes dans une période de crise, c'est-à-dire, comme le définit Edgar Morin, que l'écart se creuse entre la nouvelle réalité du monde et les anciens concepts opérants que nous gardons encore. Cette crise est particulièrement difficile à vivre pour les industriels, et en particulier pour les grands industriels du secteur aérospatial qui sont, dans leur ensemble, les industriels du secteur de la défense.

en bleu : secteur spatial civil - en rouge : secteur aéronautique civil - en jaune : secteur militaire

      Les Centrales Solaires Spatiales offrent quelques perspectives pour une transformation moralement acceptable et des opportunités de redéploiement d'activité à partir des infrastructures techniques existantes, dans les contextes économiques et politiques qui sont ceux d'aujourd'hui.

Un programme énergétique mondial

      Au cours des contacts que le Sunsat Energy Council entretient depuis plusieurs années avec le Programme Solaire Mondial de l'Unesco, il est apparu une possibilité de développement des Centrales Solaires Spatiales, au-delà des travaux actuels sur le TESF et des projets d'expérience depuis des petites plates-formes orbitales. Les prochaines étapes du développement, celles des grands systèmes probatoires de la classe de plusieurs mégawatts, pourraient être financées par une redirection de crédits militaires dans le cadre d'un programme de défense planétaire coordonné à l'échelle mondiale. Une telle perspective serait pleine d'opportunités pour les industriels concernés, en particulier dans le domaine du transport spatial, avec des incidences favorables pour l'ensemble de l'économie.

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La maquette fonctionnelle : le soleil, un satellite, et la Planète Terre

     Quinze élèves et deux professeurs du Lycée Jean Perrin étaient dans la salle pendant la présention du Sunsat Energy Council. Ils ont fait une démonstration du prototype de modèle fonctionnel de CSS qu'ils viennent de réaliser en vue de faciliter une bonne compréhension du potentiel des Centrales Solaires Spatiales. Ces modèles vont être commercialisés dans le monde entier par l'association du Lycée.

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