Le solaire dans l'espace : soixante ans de panneaux au soleil
Presque tous les satellites vivent de la lumière du Soleil. Des premières cellules de 1958 aux ailes de la Station spatiale et aux grands panneaux de Juno près de Jupiter, petite histoire d'une énergie devenue indispensable.
Dans l'espace, pas de prise électrique, pas de réservoir de gazole, mais un Soleil qui ne se couche presque jamais. Depuis la fin des années 1950, l'immense majorité des satellites tirent leur énergie de cellules photovoltaïques : des plaques de semi-conducteur qui transforment directement la lumière en courant électrique. Ce choix, qui semble aller de soi aujourd'hui, a d'abord été un pari, et l'espace a beaucoup fait progresser le solaire.
1958, le pari de Vanguard
Les tout premiers satellites fonctionnaient sur piles et se taisaient dès qu'elles étaient vides. En 1958, le petit satellite américain Vanguard 1 emporte, en plus de ses piles, quelques cellules solaires au silicium. Les piles s'épuisent, mais l'émetteur alimenté par le Soleil continue d'émettre pendant des années. La démonstration est faite : une source d'énergie qui ne s'use presque pas change la durée de vie d'un engin spatial. Depuis, satellites de télécommunication, de météorologie et d'observation de la Terre déploient presque tous des panneaux solaires.
Le principe est le même que sur un toit. Un photon de lumière, en frappant le semi-conducteur, libère un électron ; une jonction entre deux couches de matériau différent oblige ces électrons à circuler dans un seul sens, ce qui crée un courant. Mais l'espace est un milieu hostile : les particules énergétiques du Soleil et des ceintures de radiation abîment peu à peu les cellules, et les écarts de température entre le jour et l'ombre de la Terre sont brutaux. Les ingénieurs prévoient donc des panneaux un peu surdimensionnés, qui fourniront encore assez de puissance en fin de mission.
La Station spatiale, une centrale en orbite
Le générateur solaire le plus spectaculaire en orbite est celui de la Station spatiale internationale. Selon la NASA, ses huit grandes ailes solaires fournissent de 75 à 90 kilowatts et s'étendent sur 109 mètres d'envergure, plus que le plus grand avion de ligne. Elles couvrent environ 0,4 hectare, ce qui rend la Station visible à l'œil nu depuis le sol.
Comme tous les panneaux exposés au rayonnement spatial, ces ailes s'usent avec les années. Pour maintenir la puissance disponible, la NASA a choisi de leur ajouter des iROSA, des panneaux plus compacts qui voyagent enroulés comme un tapis et se déroulent une fois installés par les astronautes au cours de sorties dans l'espace. Ils viennent compléter les ailes d'origine pour redonner de la puissance à la Station.
Juno, le record de distance
Plus on s'éloigne du Soleil, moins on reçoit de lumière. L'éclairement décroît comme l'inverse du carré de la distance : deux fois plus loin, quatre fois moins de lumière. Autour de Jupiter, cinq fois plus loin du Soleil que la Terre, il ne reste qu'environ 4 % de l'éclairement terrestre. Longtemps, les sondes destinées aux planètes géantes ont donc emporté des générateurs nucléaires.
La sonde Juno, lancée en 2011 et arrivée autour de Jupiter en 2016, a fait le choix inverse. Elle porte trois ailes solaires d'environ 9 mètres chacune, qui lui donnent une envergure de plus de 20 mètres. La NASA la présente comme l'engin solaire le plus éloigné de la Terre, et comme la première de ses sondes à fonctionner sur panneaux solaires à une telle distance du Soleil. Ce choix a été rendu possible par des cellules plus efficaces et par une sonde conçue pour consommer très peu.
Des cellules à plusieurs étages
Les cellules spatiales les plus performantes sont dites multijonctions. Une cellule ordinaire n'exploite bien qu'une partie des couleurs de la lumière : les photons trop faibles la traversent, l'excès d'énergie des photons trop énergétiques part en chaleur. L'idée est d'empiler plusieurs couches de semi-conducteurs différents, chacune réglée pour une partie du spectre : la couche du dessus capte les photons les plus énergétiques et laisse passer les autres vers les couches inférieures, jusqu'à l'infrarouge. Le rendement dépasse alors nettement celui des panneaux de toiture courants. Ces cellules restent coûteuses, ce qui les réserve aux usages où chaque gramme et chaque centimètre carré comptent.
Et sur Terre ?
Le spatial a servi de banc d'essai et de premier client à l'industrie photovoltaïque, à une époque où le solaire était bien trop cher pour les toits. Aujourd'hui, le mouvement s'inverse en partie : les cellules en couches minces, développées pour le marché terrestre, intéressent le spatial pour leur légèreté. Une marche d'Anthropolaris vise justement des générateurs souples à forte puissance par gramme, qualifiés pour l'espace, dont profiteraient aussi les toitures légères, les tentes humanitaires et les drones de haute altitude (voir la marche D-NRG-09).
Plus loin que Jupiter, la lumière devient de plus en plus maigre, et sur le chemin d'Alpha du Centaure le Soleil ne sera bientôt plus qu'une étoile parmi d'autres. Les sondes interstellaires devront compter sur d'autres sources, ou sur une lumière envoyée depuis la Terre par laser : le photovoltaïque n'a pas fini de servir.