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Nouvelles énergies 29/11/2021

La Terre, un vaisseau spatial comme les autres - PARTIE 1

La production et la consommation d’énergie à bord des engins spatiaux posent de nombreux problèmes similaires à ceux que l’on rencontre sur Terre : les solutions des premiers sont une source d’inspiration pour résoudre les seconds.                                                                                                                                                                Photo : Deux vaisseaux spatiaux, l'ISS et la Terre, deux systèmes fermés peuplés d'humains qui survivent grâce à une source d'énergie extérieure, le Soleil.

Cet article a été écrit par Jim Gripekoven - ENGIE Laborelec, Jan Mertens, Rob Verstreit et Michael E. Webber - ENGIE Research

"L’économie du futur serait celle de l’astronaute, où la Terre est vue comme un vaisseau isolé"

Le Faucon Millenium et L’Étoile noire dans Star Wars, l’Endurance dans Interstellar, le Nostromo dans Alien, l’USS Enterprise dans Star Trek… dans les fictions, nombre de vaisseaux spatiaux naviguent dans le grand vide de l’espace. Mais les contraintes techniques qu’imposent ces environnements fermés et contrôlés sont rarement abordées. On peut néanmoins en avoir une idée en s’intéressant à… notre bonne vieille Terre !

En effet, notre planète est elle aussi un système fermé où vivent des êtres humains grâce à une source d’énergie externe, en l’occurrence les radiations solaires. Quels enseignements pouvons-nous tirer de ce parallèle ?

Dans son essai prémonitoire The Economics of the Coming Spaceship Earth datant de 1966, Kenneth Boulding écrit : « L’économie du futur pourrait être celle de l’astronaute, où la Terre est vue comme un vaisseau spatial isolé, sans aucun réservoir illimité, que ce soit en termes de ressources à extraire ou de pollution à contenir, et dans laquelle, par conséquent, l’humain doit trouver sa place dans un système écologique cyclique. »

Le "système Terre"

Largement ignorée à l’époque, quand elle n’était tout simplement pas rejetée, car vue comme catastrophiste, la comparaison entre un « système terrestre » et un vaisseau spatial prend aujourd’hui tout son sens. Cette ressemblance se traduit désormais par un besoin en technologies à même de créer un système holistique, c’est-à-dire global, où la subsistance des êtres humains serait assurée, car fondée sur la circularité et la performance. Bien sûr, les exigences sont plus fortes dans l’espace, car le nombre de marges ajustables est plus faible et les enjeux de sécurité plus forts : les acteurs de la recherche et du développement (R&D) se concentrent par conséquent sur les aspects techniques, l’économie passant alors au second plan. De retour sur Terre, les technologies d’abord conçues pour l’espace peuvent ensuite être adaptées et optimisées, au bénéfice des deux secteurs. La philosophie de leur exploitation peut parfois radicalement différer, nous le verrons, mais dans tous les cas, la circularité et l’efficacité priment. Pour nous guider dans cette exploration des passerelles entre la Terre et l’espace, pourquoi ne pas enfiler une combinaison et embarquer à bord d’un vaisseau comme la Station spatiale internationale (ISS). Avant de faire de la grande R&D, un inventaire de nos besoins s’impose. 

D’abord, il faut de l’énergie ! Tous les systèmes à bord d’un engin spatial fonctionnent avec une électricité produite sur place. Diverses sources d’énergie primaire sont possibles, et le choix est dicté par le type de mission spatiale. Par exemple, pour les engins spatiaux en orbite terrestre, le solaire photovoltaïque est souvent l’option retenue. Cependant, il est inadéquat pour les missions interplanétaires dirigées vers l’extérieur du système solaire, Mars par exemple, car l’intensité de l’irradiation solaire diminue avec le carré de la distance à notre étoile. On préférera alors des systèmes fonctionnant grâce à la radioactivité de certains isotopes. Indépendants vis-à-vis de la ressource solaire, ils sont aussi très fiables, une propriété importante pour mener opérations de façon autonome, comme rovers qui parcourent le sol martien.


L’offre énergétique d’hier et de demain

Pour la colonisation lunaire, la fission nucléaire est considérée comme la meilleure solution. Sur place, on envisage de doter les équipements (« habitations » ou grands rovers) de piles à combustible. Ces dispositifs qui convertissent l’hydrogène (H2) et l’oxygène (O2) en électricité ont déjà fait leurs preuves lors des missions Apollo et dans le programme Space Shuttle. C’est assurément une bonne idée, car les piles ont également l’avantage de produire de l’eau potable, évidemment indispensable pour la subsistance des astronautes.

Où sont les similitudes entre les systèmes énergétiques terrestres et spatiaux ? Ils résident dans certains des principaux défis auxquels ils sont confrontés : durabilité, efficacité énergétique et intermittence de la ressource dans le cas par exemple du solaire.

Retour sur Terre

Prenons l’exemple des vaisseaux, satellites et stations, en orbite autour de la Terre. Leur énergie est fournie par des panneaux solaires photovoltaïques soutenus par une batterie lithiumion pour couvrir les périodes où l’engin se trouve dans l’ombre de notre planète. Cette situation peut être comparée à la production actuelle d’électricité sur Terre, où le nombre croissant de sources renouvelables intermittentes oblige à prévoir un recours quand le vent ne souffle pas et que le soleil ne brille pas. Il peut s’agir d’une production d’électricité flexible à la demande : elle est souvent assurée par des centrales thermiques, mais les batteries gagnent aussi rapidement en importance.

"L’économie du futur serait celle de l’astronaute, où la Terre est vue comme un vaisseau isolé"

Les dispositifs de stockage ont aussi leur place. L’énergie est stockée pendant les périodes de production d’électricité renouvelable excédentaire et est ensuite utilisée pour compenser les périodes pendant lesquelles les besoins ne sont pas couverts . Des systèmes intelligents de gestion de l’énergie aidant à anticiper la production et la consommation sont d’ores et déjà utilisés pour optimiser l’ensemble.

Aujourd’hui, la plupart des engins en orbite autour de la Terre utilisent des cellules solaires de haute technologie dont le rendement avoisine les 30 %. C’est supérieur à celui des panneaux les plus performants disponibles dans le commerce sur Terre, qui est d’environ 22 à 24 %. Peut-on imaginer un transfert de technologie entre l’espace et notre planète ? Difficile de répondre, car les cellules de qualité spatiale sont actuellement trop chères pour être déployées sur Terre. En effet, nous l’avons dit, dans les applications spatiales, le coût des cellules est mis en regard de leur rendement, de leur masse (qui influe sur le coût de lancement) et de leur étant l’un des facteurs de coût les plus importants d’un vaisseau spatial, il importe que les batteries puissent fournir un maximum d’énergie électrique pour un poids et un volume minimum : en d’autres termes, elles doivent avoir un bon rendement.

Autre performance, les batteries des engins en orbite terrestre basse résistent à un nombre élevé de cycles de charge et de décharge (plus de 30 000) alors que l’on estime la durée de vie des batteries lithiumion qui équipent les voitures électriques à seulement 1500 cycles. Verra-t-on un jour ces dernières profiter des batteries spatiales ?

L’énergie, fournie en permanence par le Soleil, est au final le seul élément à entrer dans nos systèmes fermés, que ce soient les engins envoyés dans l’espace ou bien la Terre elle-même. Sur cette dernière, cette énergie parcourt des chaînes, des boucles, en passant d’un acteur à un autre, par exemple dans une chaîne alimentaire. Ce type de fonctionnement, celui de la Nature en fait, peut-il être appliqué à bord d’un vaisseau spatial où l’électricité produite s’intégrerait dans un système autosuffisant dont profiteraient les astronautes ? La qualité de l’air et la fabrication de nourriture sont deux exemples qui répondent par l’affirmative.

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Référence

Jim Gripekoven - ENGIE Laborelec
Jan Mertens - ENGIE Research
Rob Verstreit - ENGIE Research
Michael E. Webber - ENGIE Research


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