Table of Contents

La promesse et le défi de l'énergie solaire spatiale

L'énergie solaire spatiale (SBSP) représente un changement fondamental dans la production d'énergie, promettant de fournir une énergie propre et à charge de base, indépendamment des conditions météorologiques ou de l'heure de la journée. D'abord proposé par M. Peter Glaser en 1968, le concept consiste à recueillir de l'énergie solaire sur orbite géostationnaire et à la transmettre sans fil aux stations de réception sur Terre. Bien que la physique de l'énergie solaire dans l'espace soit convaincante et qu'elle reçoive environ huit fois la densité énergétique des panneaux solaires terrestres à l'équateur et à la mdash; les obstacles techniques se sont révélés redoutables.

Les premiers concepts des années 1970 ont supposé des structures lourdes et énormes avec des systèmes électroniques simples et à basse tension. Aujourd'hui, le paradigme s'est déplacé vers des plates-formes modulaires et légères qui dépendent de semi-conducteurs de puissance avancés , des réseaux de faisceaux de faisceaux de faisceaux de phase[, et des systèmes de contrôle autonomes conçus pour la fiabilité de la qualité de l'espace dans les missions multi-décennies.

L'architecture du SBSP : une perspective électronique

Un système SBSP est intrinsèquement un système électrique à plusieurs étages. La compréhension de l'architecture est essentielle pour identifier les composants à impact élevé qui dictent l'efficacité et la viabilité globales du système. Le système est divisé en trois domaines électriques : le segment spatial, la liaison électrique et le segment sol.

Le segment spatial : collecte de puissance et conversion RF

Le segment spatial remplit deux fonctions électriques primaires : produire une puissance de courant continu à haute tension à partir du flux solaire et convertir cette puissance en un faisceau de radiofréquences (RF) de haute puissance. Les réseaux solaires, probablement basés sur des cellules à haute efficacité multi-jonction III-V, produisent une tension relativement élevée pour minimiser I2R pertes. Cette tension est conditionnée par une série de ] convertisseurs CC-DC qui assurent l'isolement et la correspondance avec l'impédance des amplificateurs RF finaux. Ces amplificateurs, entraînés par l'antenne de réseau échelonné, sont les composants les plus puissants. L'efficacité des étapes de conversion de puissance RF est centrale et mdash; chaque point de perte se traduit directement en chaleur résiduelle qui doit être rejetée dans l'espace, ajoutant de la masse au système de commande thermique.

Le segment terrestre : récupération d'énergie et intégration du réseau

Chaque élément de la centrale comprend un circuit de redresseur de diode, un filtre et un mélangeur de puissance pour convertir l'énergie incidente du micro-ondes en courant continu ou en courant alternatif haute tension. La conception de ces circuits de redresseur à haut niveau de puissance nécessite des technologies avancées de diode, telles que nitride de gallium (GaN) diodes scotky[, qui offrent une baisse de tension vers l'avant basse et une vitesse de commutation élevée.

Le lien de puissance sans fil

La liaison radiofréquence est définie par la fréquence de transmission, généralement de 2,45 GHz ou 5,8 GHz. Le choix de la fréquence implique un compromis entre la taille de l'antenne, l'absorption atmosphérique et la disponibilité des composants. Les fréquences plus élevées (5,8 GHz) permettent de réduire les antennes mais souffrent d'une absorption plus élevée par la pluie. La direction et la stabilisation du faisceau sont contrôlées par un système rétrodirectionnel, où un signal pilote du sol est utilisé pour moduler la transmission en phase, assurant que le faisceau de puissance élevée reste verrouillé sur la rectenne, indépendamment des perturbations orbitales mineures.

Durcissement de l'environnement : la fondation de l'électronique SBSP

Les composants électroniques dans l'espace doivent subir des conditions sévères qui dégradent rapidement l'équipement terrestre standard. Pour SBSP, la combinaison de haute tension, de haute puissance et de l'environnement spatial rend la sélection des composants une tâche complexe.

Effets des rayonnements sur l'énergie et l'électronique RF

Les effets d'un seul événement (SEE) peuvent provoquer des changements de tension de seuil dans les MOSFET et des augmentations du courant de fuite dans les dispositifs bipolaires. Les MOSFETs de puissance Silicon Carbide (SiC) offrent des avantages inhérents à leur bandeau plus large, ce qui les rend moins sensibles à l'épuisement d'un événement par rapport aux IGBT en silicone traditionnels. Les modules de puissance doivent être encapsulés avec des matériaux résistants aux radiations et conçus avec des marges de détartrage importantes pour assurer une durée de vie de 15 à 30 ans. Pour les systèmes de contrôle, les FPGA à rayonnement durci tels que les Microchip RTG4 ou AMD Virtex-5QV sont utilisés pour fournir la densité logique nécessaire tout en résistant aux niveaux de TID dépassant 100 krad(Si).

Gestion thermique en vide

Les appareils à haute efficacité GaN génèrent moins de chaleur résiduelle, mais la densité du flux de chaleur est très élevée. Des solutions d'emballage avancées, telles que des tubes thermiques intégrés[ et des diffuseurs thermiques à base de diamants[, sont utilisées pour extraire la chaleur des amplificateurs RF et des convertisseurs DC-DC et la déplacer vers de grands panneaux radiateurs. La fiabilité de ces interfaces thermiques dépend fortement des matériaux d'interface thermique (IMT) et des soudures utilisés dans l'assemblage des composants. Les voiles dans le brasage de l'attache peuvent conduire à des points chauds localisés et à des défaillances prématurées, de sorte que les procédés d'interposition sans vide sont préférés pour des applications à haute fiabilité.

Architectures de redondance et de tolérance aux défauts

Compte tenu du coût élevé du lancement et de l'impossibilité de réparer physiquement en orbite géostationnaire, les systèmes SBSP exigent une tolérance élevée aux défauts, ce qui est obtenu par des architectures de puissance distribuées (par exemple, les microgrids DC à l'intérieur de la plate-forme) et des configurations de cordes redondantes pour les amplificateurs. Les systèmes de contrôle doivent être capables de détecter une défaillance (une défaillance de l'amplificateur ou un court-circuit dans une ligne de distribution), de l'isoler et de reconfigurer le tableau pour maintenir la puissance.

Conversion et gestion de la puissance de prochaine génération

Le cœur du segment spatial est le système de gestion et de distribution de l'énergie (PMAD). La masse et l'efficacité du système PMAD affectent directement la viabilité économique globale du SBSP.

Semi-conducteurs à large bande : GaN et SiC dans l'espace

Les transistors à haute mobilité électronique (MTS) fonctionnent à très haute fréquence de commutation (gamme MHz), ce qui permet de réduire sensiblement la taille des composants magnétiques (transformateurs, inducteurs) et des condensateurs de filtre.Cela réduit directement la masse de l'engin spatial et du mdash; un paramètre de conception critique. Les substrats GaN-on-Si offrent un bon équilibre entre les coûts et les performances des applications spatiales qui nécessitent un fonctionnement à haute fréquence. Les MOSFETs SiC gèrent des tensions et des courants plus élevés avec des pertes de conduction plus faibles que le silicium et offrent une conductivité thermique supérieure, leur permettant de fonctionner à des températures de jonction plus élevées.

Topologies de convertisseur DC-DC haute tension

Les systèmes SBSP fonctionnent à haute tension de bus (cent à milliers de volts) pour minimiser les pertes résistives dans le câblage de distribution. Les topologies de convertisseurs résonants, comme les convertisseurs LLC (Inducteur-Inducteur-Capaciteur) ou CLLC (Capaciteur-Inducteur-Capaciteur-Capaciteur), permettent le commutation souple des transistors de puissance, réduisant considérablement les pertes de commutation et les interférences électromagnétiques (EMI). Ces convertisseurs peuvent atteindre des rendements supérieurs à 98 % aux densités de puissance qui étaient auparavant inaccessibles avec des conceptions basées sur le silicium.

Suivi maximal des points de puissance dans l'environnement spatial

Les algorithmes MPPT, mis en œuvre dans les microcontrôleurs à rayonnement ou les FPGA, ajustent en permanence le point d'exploitation des tableaux pour extraire la puissance maximale. Les algorithmes avancés comme Perturb et Observe sont affinés avec des éléments prédictifs pour gérer les changements rapides d'éclairage et de température vécus pendant les transitions orbitales. Pour SBSP, qui fonctionne dans GEO, le tableau est presque constamment illuminé, simplifiant les exigences MPPT par rapport aux satellites à faible orbite terrestre.

Systèmes d'antennes avancés et de baming

La transmission de puissance sans fil (WPT) nécessite une électronique RF robuste qui peut gérer des niveaux de puissance élevés tout en maintenant un contrôle précis sur la forme et la direction du faisceau.

Antennes d'arraisonnement et MCM GAN

Chaque élément nécessite un changement de phase et un amplificateur. En contrôlant précisément la phase de chaque élément, le faisceau peut être dirigé électroniquement sans pièces mobiles. Le développement de Circuits intégrés mono-ondes (MIC)[ dans la technologie GaN a été un moteur clé pour SBSP. Un seul MMIC GaN peut intégrer l'amplificateur de puissance, le changement de phase et l'amplificateur à faible bruit pour la réception du signal pilote, réduisant de façon significative la taille, le poids et la puissance (SWaP) par rapport aux implémentations discrètes. GaN fournit la puissance et l'efficacité de sortie élevées requises pour WPT, avec une puissance ajoutée supérieure à 60 % aux fréquences X.

Rétrodirectionnelle de la commande de faisceau pour la sécurité et l'exactitude

Pour assurer la sécurité du faisceau de haute puissance sur la rectenne, le réseau utilise un contrôle rétrodirectionnel. Un signal pilote est transmis depuis le centre de la rectenne. Le réseau spatial reçoit ce signal, conjuge sa phase et retransmet le faisceau de haute puissance sur le même trajet. Ceci agit comme un système d'alignement automatique, assurant que l'empreinte du faisceau reste fixée sur le réseau récepteur même si la plate-forme spatiale change légèrement dans son orbite ou subit une distorsion thermique. L'électronique pour la conjugaison de phase doit être extrêmement rapide et précise, en s'appuyant sur des CDA à grande vitesse et des processeurs de signaux numériques.

Technologie de la réceptacle et conversion RF-to-DC

Au sol, les éléments de la rectenne sont conçus pour capter efficacement l'énergie du micro-ondes. La conception de l'antenne dipolaire ou patch est optimisée pour la fréquence de fonctionnement spécifique. Le circuit de redresseur utilise des diodes Schottky pour convertir RF en DC. L'obtention d'une efficacité RF-à-DC élevée (plus de 80%) aux densités de puissance inférieures trouvées au bord du faisceau est un défi qui entraîne la recherche de circuits de redresseur.

Contrôle intelligent, télémétrie et autonomie

Une plate-forme SBSP est essentiellement une centrale autonome géante et non surveillée opérant dans un environnement hostile. L'électronique de contrôle avancée est essentielle à son fonctionnement sûr et efficace.

Le rôle de l'apprentissage automatique dans les opérations

L'IA peut optimiser la forme du faisceau pour maximiser le transfert de puissance en tenant compte des conditions atmosphériques et de la température de la rectenne, prédire les défaillances des amplificateurs de puissance en analysant les changements subtils de télémétrie et ajuster le partage de puissance entre les différents modules. Ces algorithmes doivent fonctionner sur des processeurs à haute résistance aux radiations qui peuvent fournir les performances de calcul requises dans des budgets de puissance stricts.

Télémétrie à grande vitesse et liens de commande

Les données provenant de milliers de capteurs doivent être agrégées, traitées et compressées avant d'être envoyées au sol. Les architectures de télémétrie avancées utilisent des protocoles basés sur le réseau (p. ex. SpaceWire ou TTEthernet) pour fournir des données déterministes pour les boucles de contrôle critiques tout en permettant une bande passante suffisante pour les données de surveillance de la santé.

Les récents jalons et projets de démonstration

Plusieurs projets récents ont déplacé le SBSP des études théoriques vers des démonstrations matérielles pratiques, ce qui a permis de valider les performances des composants électroniques concernés.

Projet d'énergie solaire spatiale de Caltech

Le lancement du Caltech SSPD-1 en janvier 2023 a marqué une étape importante. La démonstration a validé trois technologies clés : l'appareil MAPLE (Microwave Array for Power-transfert Low-orbit Experiment), qui a réussi à transmettre de l'énergie sans fil dans l'espace et à le détecter à un récepteur sur le satellite; les tuiles photovoltaïques ALBA, qui ont testé différentes technologies de cellules solaires dans l'environnement spatial; et la structure DOLCE (Experiment composite ultraléger sur orbite).

Recherche internationale: JAXA et ESA

La JAXA japonaise est depuis longtemps un leader dans la recherche SBSP, ayant démontré un transfert d'énergie sans fil de 1,8 kW via des micro-ondes dans une expérience terrestre en 2015. Sa feuille de route comprend une démonstration géostationnaire dans les années 2030.L'initiative SOLARIS de l'Agence spatiale européenne se concentre sur la construction d'une base technologique et l'évaluation de la faisabilité du SBSP commercial.

La route à l'horizon : de la démonstration à l'échelle des services publics

La transition de la démonstration technologique réussie à un système SBSP à l'échelle de l'utilité 1 GW nécessite de surmonter les défis importants dans la fabrication, le montage et la politique.

Fabrication et montage modulaire

Pour passer à un système de classe gigawatt, des milliers de tonnes d'électronique doivent être fabriquées et assemblées dans l'espace, ce qui nécessite un passage de l'électronique spatiale à faible volume de fabrication à un volume élevé et peu coûteux de modules de qualité spatiale. L'assemblage et la fabrication dans l'espace (ISAM) reposeront sur des blocs électroniques modulaires qui peuvent être connectés de façon robotisée pour former des réseaux plus importants.

Attribution et sécurité du spectre

Un obstacle non technique majeur est l'obtention d'une approbation internationale pour la transmission par l'atmosphère de micro-ondes de grande puissance. Les bandes de fréquences utilisées pour les SBSP (2,45 GHz, 5,8 GHz) sont partagées avec les communications terrestres et le radar. Il faut développer des techniques de filtrage et de façonnage de faisceaux avancées pour éviter les interférences avec d'autres services.

L'équation économique et le coût des composantes

La viabilité du SBSP dépend en fin de compte du coût de l'énergie, qui est normalisé. La réduction des coûts de lancement (sous l'impulsion de lanceurs réutilisables) modifie radicalement l'équation économique. Cependant, le coût des cellules solaires à haute efficacité, des MMIC GaN et des antennes à grande échelle continue d'être important. L'investissement continu dans les emballages , , , la fabrication à haute capacité de GAN[ et l'intégration de modules de puissance est essentiel pour réduire les coûts.