La science pour tous S07E03 : Le projet ZEUS développe de nouveaux panneaux solaires pour l’espace

Je recommande d’écouter l’épisode S07E03, “The Zeus Project”, 08 octobre 2024 [a partir de 13:31 min]de l’émission radio « Science pour tous », à laquelle je participe avec Enrique Viguera (Université de Málaga), coordinateur de Rencontres avec la science. Cette section hebdomadaire de l’émission « Hoy por Hoy Málaga », présentée par Esther Luque Doblas et Belén Caballero, est diffusée tous les mardis sur Cadena SER Málaga (102,4 FM) vers 13h45.

Nous avons interviewé le professeur Enrique Barrigón Montañés, du Département de Physique Appliquée I de la Faculté des Sciences de l’Université de Málaga (UMA), à propos de l’actualité «Le projet européen ‘ZEUS’ cherche à capter l’énergie solaire dans l’espace de manière efficace et durable. “, Nouvelles, Université de Malaga, 04 octobre 2024. «Le Laboratoire Matériaux et Surfaces de l’UMA participe à un consortium international qui a obtenu l’une des huit subventions ‘Horizon EIC Pathfinder Challenges —In-space solar energy Harvesting for innovantes space applications’ attribuées cette année au niveau européen, dans le but de réaliser des avancées significatives dans les domaines de la collecte et de la transmission de l’énergie solaire dans l’espace et de nouveaux concepts de propulsion qui utiliseront cette énergie obtenue. Coordonné par l’Université de Lund (Suède), le projet « ZEUS » —Récupération d’énergie sans perte grâce à des cellules solaires à nanofils dans l’espace— dispose d’un financement de près de quatre millions d’euros (3 998 622,50 €) pour son développement au cours des quatre prochaines années.

Vous pouvez écouter l’épisode sur Play SER, « The Zeus Project », 08 octobre 2024 [a partir de 13:31 min].

Belén : La transition énergétique vers des énergies propres et durables nécessite une combinaison de multiples sources d’énergie. L’énergie solaire photovoltaïque en fait partie, qui convertit la lumière du soleil en électricité et, curieusement, c’est le moyen le plus utilisé pour fournir de l’énergie électrique aux satellites dans l’espace. L’Université de Malaga participe à un projet européen allant dans ce sens. Enrique, Francis, que pouvez-vous nous dire sur ce projet ?

Enrique : Le projet européen s’appelle ZEUS, qui signifie « Lossless Energy Capture Using Nanowire Solar Cells in Space ». Ce projet est coordonné par l’Université de Lund en Suède et est doté de près de quatre millions d’euros, sur quatre ans, grâce au financement du Conseil européen de l’innovation (EIC) de l’Union européenne appelé « Horizon Pathfinder Challenges », qui finance des projets innovants dans le domaine spatial. .

Outre le groupe de recherche du professeur Enrique Barrigón du Département de physique appliquée I de l’Université de Malaga, l’Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire ISE de Fribourg, en Allemagne, l’Université Polytechnique de Valence et l’Institut technologique d’emballage, de transport et Logistique (ITENE), dans le Parc Technologique de Paterna, près de Valence.

François : L’objectif du projet ZEUS est de développer une nouvelle technologie pour le développement de panneaux solaires dans l’espace. La technologie utilisée dans les panneaux photovoltaïques spatiaux conventionnels a un gros problème dans l’espace, les rayons cosmiques endommagent irrémédiablement les panneaux solaires. Pour capter efficacement et durablement l’énergie solaire dans l’espace, il faut lutter d’une manière ou d’une autre contre l’effet des rayons cosmiques.

La proposition de ZEUS consiste à utiliser des cellules solaires à nanofils, qui ressemblent à des câbles très fins d’un diamètre d’environ 200 nanomètres (l’équivalent d’environ 1 000 atomes de silicium placés sur une seule rangée). Les nanofils sont disposés verticalement, laissant une grande zone creuse au milieu, réduisant ainsi la surface du panneau exposée aux rayons cosmiques. Cela réduira la dégradation des panneaux photovoltaïques dans l’espace et augmentera leur durabilité.

Le grand avantage des nanofils est qu’ils ont un grand potentiel pour convertir l’énergie solaire incidente avec un rendement énorme, jusqu’à 40 %, au lieu des 20 % obtenus avec les cellules au silicium conventionnelles. Comme la surface exposée à l’environnement très agressif de l’espace exposée par les nanofils est bien plus petite, a priori, il y a tous les avantages.

Belén : Aujourd’hui, nous recevons le professeur Enrique Barrigón, du Département de physique appliquée I de la Faculté des sciences. [Saludos; buenas tardes] Francis nous a dit qu’il faisait des recherches sur les cellules solaires à nanofils. Professeur, pourriez-vous nous expliquer de manière simple de quel matériau sont constitués ces nanofils ?

Enrique Barrigón : «Tout d’abord, une cellule solaire photovoltaïque est un dispositif qui convertit la lumière du soleil en électricité et est constituée de matériaux appelés semi-conducteurs. Qu’est-ce qu’un semi-conducteur ? Les matériaux sont classés en fonction de la façon dont ils conduisent l’électricité. Les semi-conducteurs sont à mi-chemin entre les métaux et les isolants.

« Au sein des semi-conducteurs, il existe plusieurs familles, selon les éléments chimiques qui composent le matériau. Le classique et le plus utilisé est le silicium, matériau des cellules solaires photovoltaïques que nous utilisons sur Terre et base de toute microélectronique. Il existe d’autres familles, mais les matériaux que nous allons utiliser dans ce projet sont des semi-conducteurs III-V, qui sont fabriqués en combinant des éléments des colonnes 3 et 5 du tableau périodique des éléments. J’ajoute qu’ils utilisent spécifiquement une triple jonction GaInP/GaAs/Ge.

François : L’efficacité énergétique des cellules photovoltaïques à nanofils atteint une efficacité énergétique de 15 %, ce qui est encore inférieur à celui des cellules au silicium utilisées dans l’espace. Le projet ZEUS propose d’utiliser une combinaison de plusieurs couches semi-conductrices pour atteindre un rendement potentiel allant jusqu’à 47 %. De manière très résumée, Enrique, quelles sont les différences entre votre technologie et les technologies existantes qui permettront une telle efficacité ?

Enrique Barrigón : «Nous combinons différents matériaux semi-conducteurs dans une même cellule solaire, ce que l’on appelle dans le monde photovoltaïque une cellule solaire multijonction. Son efficacité potentielle atteint 47%, d’un point de vue théorique. Son grand avantage est que chaque matériau qui forme cette cellule multijonction se concentre sur la conversion [en energía] une partie du spectre solaire, de sorte que l’efficacité [combinada] est plus élevé [pues se recoge energía de una región más ancha que cubre casi todo el espectro]. En plus, [usamos] cellules solaires à nanofils [que] “Ils présentent un avantage supplémentaire, puisque la géométrie du nanofil permet de combiner un plus grand nombre de matériaux différents, ce qui permet d’augmenter encore l’efficacité.”

François : Vos cellules solaires seront-elles capables de voir l’ensemble du spectre de lumière arc-en-ciel et les cellules conventionnelles ne verront-elles qu’une partie du spectre ?

Enrique Barrigón : “C’est vrai, la cellule solaire classique en silicium, celle utilisée sur Terre, n’absorbe qu’une partie du rayonnement incident.”

Enrique : L’énergie solaire nécessite l’utilisation d’immenses panneaux solaires. L’installation de tels panneaux dans l’espace coûte très cher. Enrique, quels sont les avantages des panneaux à nanofils pour réduire les coûts de leur installation dans l’espace ?

Enrique Barrigón : «Si nous voulons emmener une cellule solaire dans l’espace, en raison de son coût, nous préférons une cellule solaire ayant le rendement le plus élevé possible. Eh bien, plus vous obtenez de puissance, plus vous obtenez d’efficacité. [eléctrica] dont votre satellite a besoin, mais avec une surface de panneaux solaires plus petite. D’autre part, la géométrie des nanofils fait qu’il suffit de couvrir 10 % de la surface avec des nanofils, car ils absorbent très bien la lumière qui tombe sur la surface. Tout cela représente une économie de matière assez importante, qui au final impacte également le coût.

«Dans le projet ZEUS, nous étudierons également les moyens de placer ces nanofils sur des substrats flexibles. A quoi va-t-il servir ? Tout d’abord, pour réduire le poids, car le téléchargement de tout type de matériel dans l’espace coûte plusieurs dollars par gramme. Et en plus de réduire le poids, si vous parvenez à lui faire prendre moins de volume une fois placé [la cofia del cohete] lanceur, le coût total de cette technologie solaire est également réduit.

Belén : Cinq groupes de Suède, d’Allemagne, de Valence et de Malaga collaborent au projet ZEUS. Professeur, quelle partie du projet va être réalisée à Malaga ?

Enrique Barrigón : «À Malaga, nous allons nous concentrer sur la caractérisation avancée de ces dispositifs, qui sont des structures très complexes. Le plus grand défi est que nous travaillons à l’échelle nanométrique. L’idée est d’extraire autant d’informations que possible de ces appareils grâce à cette caractérisation pour, d’une manière ou d’une autre, alimenter la fabrication qui a lieu en Suède, à Lund. Et puis au-delà de cette caractérisation avancée, nous allons également nous concentrer sur la réalisation de tests spécifiques pour pouvoir évaluer la résistance dans l’environnement spatial.”

Enrique : «La possibilité de l’emmener dans l’espace entre-t-elle également en jeu dans le cadre du projet ZEUS ? Est-ce prévu ?

Enrique Barrigón : «L’idée est de réaliser un développement au niveau prototype sur Terre. Et bien sûr, si les résultats sont bons et que le projet est une réussite, ce serait formidable de pouvoir réfléchir à la manière de placer un de ces dispositifs multi-jonctions dans l’espace. “Nous serions chargés, j’imagine, à travers l’Agence spatiale européenne (ESA) de prendre toutes les mesures nécessaires pour pouvoir tester cette technologie dans l’espace en conditions réelles.”

Belén : Nous pouvons tous imaginer d’énormes panneaux solaires dans l’espace collectant l’énergie du Soleil. Mais, professeur, cette énergie peut-elle être envoyée de l’espace vers la terre ferme pour être utilisée par les humains ? Le projet ZEUS étudiera-t-il également comment y parvenir ?

Enrique Barrigón : «Dans cet appel spécifique, n’est pas étudiée la transmission d’énergie de l’espace vers la Terre, mais plutôt la transmission d’énergie dans l’espace, de satellite à satellite. Et plus précisément, l’objectif de l’un des partenaires de ce projet est de développer la technologie électronique nécessaire pour pouvoir envoyer de l’énergie. Et cette électronique, bien entendu, sera également basée sur des nanofils.

«Pour envoyer de l’énergie de l’espace vers la Terre, il existe des programmes très ambitieux, tant au sein de l’Agence spatiale européenne qu’aux États-Unis, ainsi qu’en Chine. L’un des problèmes du photovoltaïque sur Terre est que la nuit, un panneau photovoltaïque ne produit pas d’électricité. D’un autre côté, dans l’espace, l’énergie pourrait être collectée et envoyée sur Terre 24 heures sur 24. Comment envoyer cette énergie [a la superficie]? Différentes méthodes sont proposées, basées sur les micro-ondes ou les lasers, pour envoyer cette énergie sur de si grandes distances et sans aucun type de câble.

Enrique : «Je pense toujours à mes élèves. « Un étudiant est-il soudainement émerveillé par ce projet et aimerait y participer d’une manière ou d’une autre ? » Le projet ZEUS est-il ouvert à de nouveaux membres de l’équipe de recherche ?

Enrique Barrigon : «S’il y a un auditeur nouvellement diplômé qui est émerveillé et intéressé à relever les grands défis posés par le développement de nouvelles technologies pour les applications spatiales, alors sans aucun doute, contactez-moi. Je considère que j’ai beaucoup de chance d’avoir ce financement pour pouvoir embaucher du personnel. Pour les chercheurs, ce type de financement est le plus difficile à obtenir. Concrètement, je prévois d’embaucher une personne pour faire les études doctorales pendant 4 ans et j’ai aussi le financement pour embaucher une personne pour faire ses études doctorales. postdocses études postdoctorales pendant 2 à 3 ans.

Belén : «Il y aurait beaucoup de questions à poser, mais nous n’avons plus le temps. Au moins, j’en apprends maintenant un peu plus sur les nanofils et tout sur le projet ZEUS, qui était l’un des objectifs. “Nous allons dire au revoir au professeur Enrique Barrigón du Département de Physique Appliquée de la Faculté des Sciences qui nous a assisté.” [Despedida y cierre].