Alors que le transport aérien est sous pression pour réduire son impact environnemental et nous incite à reconsidérer nos choix de transport, les scientifiques recherchent des moyens plus écologiques de propulser le vol.

Malgré l'avancée de la technologie des voitures électriques et le fait que les consommateurs adoptent lentement mais sûrement l'idée de la conduite électrique, les perspectives d'un vol électrique semblent encore loin d'apaiser notre flygskam, le terme suédois pour « vol honteux ».

Mais le vol électrique deviendra une réalité, c'est juste une question de quand.

"Le consensus précédent est que le vol long-courrier entièrement électrique d'avions de la taille d'un Airbus A350 ou d'un Boeing 787 est dans 20 ou 30 ans, " déclare le professeur Weijia Yuan de l'Université de Strathclyde.

"Mais en raison du besoin urgent de réduire les émissions de carbone, nous avons besoin de technologies spectaculaires pour permettre à des solutions non conventionnelles d'accélérer ce processus. Les recherches que nous menons actuellement ouvriront la voie. »

Le professeur Yuan dirige une équipe de 15 personnes au département de génie électronique et électrique qui étudie la supraconductivité appliquée au stockage d'énergie, câbles de transmission d'énergie et propulsion électrique pour aéronefs.

"La supraconductivité est une technologie critique pour permettre un vol zéro émission, " dit le professeur Yuan.

Le principal défi du vol électrique est de savoir comment fabriquer des batteries et des moteurs électriques suffisamment petits mais suffisamment puissants pour permettre à un avion plein de passagers et de leurs bagages de quitter le sol et de parcourir n'importe quelle distance avant de manquer de carburant.

"Il n'est actuellement pas possible d'utiliser des moteurs électriques conventionnels pour propulser un gros avion de ligne, car ils sont trop encombrants et manquent de densité de puissance suffisante, mais les supraconducteurs pourraient détenir la clé.

« Pour propulser un avion de la taille d'un Airbus 320 ou d'un Boeing 737, il faudrait une énergie par unité de masse d'au moins 40 kiloWatt par kilogramme (kW/kg). À l'heure actuelle, les moteurs les plus conventionnels du marché pourraient gérer environ 5 kW/kg."

Afin d'obtenir plus de puissance des moteurs électriques, vous devez augmenter la quantité d'électricité qu'un moteur est capable de transporter.

Affaires en cours

Les supraconducteurs, comme leur nom l'indique, sont des matériaux extrêmement efficaces pour laisser passer les courants électriques avec peu ou pas de résistance.

La plupart des gens savent que certains matériaux conduisent mieux l'électricité que d'autres; un fil de cuivre versus un gant en caoutchouc, par exemple.

Plus un matériau résiste au passage du courant électrique, plus l'énergie électrique est perdue sous forme de chaleur, lumière ou bruit. C'est le cas des moteurs électriques existants. Plus il y a de résistance, moins le système est efficace.

Une façon de réduire la résistance d'un matériau est de le refroidir. Plus un matériau devient froid, plus il devient conducteur jusqu'à ce qu'il atteigne une température critique où toute résistance électrique disparaît soudainement et il devient supraconducteur, ce qui augmente la quantité d'énergie disponible.

Cuivre surfondu, par exemple, réfrigéré à moins 200 degrés centigrades, peut transporter 1, 000 fois le courant du cuivre à température ambiante.

Un surfondu, bobine supraconductrice pourrait théoriquement contenir une charge électrique indéfiniment.

Faits froids et durs

Cependant, la nécessité de garder les supraconducteurs extrêmement froids pour éradiquer leur résistance électrique présente un défi.

Alors que certains groupes de recherche dans le monde étudient la supraconductivité à haute température, c'est-à-dire au-dessus de moins 200 degrés centigrades, ou quatre degrés Kelvin—Les travaux du professeur Yuan se concentrent sur les conducteurs à basse température.

Maintenant, le moyen le plus courant de surfusion d'un conducteur utilise de l'azote liquide, le gaz le plus abondant dans l'atmosphère.

L'hélium liquide peut également être utilisé, mais c'est un élément beaucoup plus rare, tandis que l'hydrogène liquide, un élément extrêmement explosif, nécessite une manipulation soigneuse.

Le dernier, cependant, peut être utilisé pour les piles à combustible à hydrogène et pourrait être la source d'énergie de choix pour l'industrie aéronautique.

Le professeur Yuan déclare :« Il se pourrait que les avions à propulsion électrique transportent de l'hydrogène à utiliser à la fois comme carburant et comme liquide de refroidissement. Mais avec l'hydrogène, il y a un grand défi de sécurité à relever.

"Notre travail est axé sur l'amélioration de l'efficacité des moteurs électriques en minimisant le refroidissement requis grâce à de nouvelles configurations de la bobine du moteur, fabriqués avec des métaux des terres rares tels que les oxydes d'yttrium baryum cuivre, puis en utilisant des outils d'analyse avancés pour guider le processus de conception."

Une grande partie de la recherche se déroule dans le laboratoire ultramoderne de supraconductivité appliquée récemment ouvert au sein du Technology &Innovation Center (TIC).

L'équipe travaille avec des partenaires de l'industrie, notamment Airbus, Rolls-Royce et Epoch Wires avec un financement du Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Innover au Royaume-Uni, le Conseil britannique, et l'Académie royale d'ingénierie, qui a également financé deux bourses de recherche en ingénierie pour les professeurs Weijia Yuan et le Dr Min Zhang, responsables académiques du nouveau laboratoire. Le professeur Yuan a été chercheur à la Royal Academy of Engineering entre 2013 et 2018.

Il ajoute :« L'un des aspects uniques que nous avons chez Strathclyde est un solide département d'ingénierie électronique et électrique combiné à la capacité de fabrication du centre de recherche de formage avancé et d'installations telles que le centre de démonstration des réseaux électriques. C'est une combinaison unique.

Propulsion hybride

Bien que le vol entièrement électrique du type qui emmènera des centaines de vacanciers vers des climats plus chauds puisse prendre encore quelques décennies, Le professeur Yuan est optimiste pour la technologie.

"Il existe encore des moyens d'améliorer les moteurs à réaction sans passer au tout électrique, par exemple grâce à la propulsion hybride où vous utilisez la combustion comme source d'énergie mais les moteurs électriques pour la propulsion. Cela vous donnerait une économie d'efficacité dans la région de 10-20%, " il dit.

« Le vol n'est qu'une des nombreuses applications qui pourraient bénéficier de la supraconductivité :d'autres incluent les systèmes énergétiques que nous utilisons dans nos maisons et dans l'industrie, des câbles pour la transmission d'électricité à partir de parcs éoliens offshore qui pourraient faciliter un super réseau européen où l'électricité peut être envoyée sur de vastes distances avec peu de perte d'énergie."

Le professeur Yuan et le Dr Min Zhang sont impliqués dans un nouveau projet sur quatre ans de 10,4 millions d'euros financé par Horizon 2020, appelé IMOTHEP—Investigation and Maturation of Technologies for Hybrid Electric Propulsion.

Le projet, animé par l'ONERA, le laboratoire français de l'aérospatiale et regroupant 33 partenaires clés de l'industrie aéronautique et de la recherche, étudiera les technologies électriques pour les avions électriques hybrides ainsi que la conception de configurations d'avions avancées et des architectures de propulsion innovantes.

Le professeur Yuan et le Dr Zhang se concentreront sur l'électronique de puissance cryogénique et la distribution d'énergie supraconductrice.

L'objectif ultime du projet est d'évaluer le potentiel de la propulsion électrique hybride pour réduire les émissions de l'aviation commerciale et, à terme, de construire une feuille de route technologique pour son développement.

Ayant rejoint Strathclyde en 2018 en provenance de l'Université de Bath, où il a obtenu son premier poste après l'obtention de son doctorat. à Cambridge, Le professeur Yuan est optimiste et désireux de faire passer ses recherches au niveau supérieur.

Il déclare :« J'espère pouvoir voir nos recherches s'appliquer dans les cinq à dix prochaines années et créer avec succès une entreprise dérivée pour les commercialiser.

« Quand vous considérez les matériaux avec lesquels nous travaillons, principalement des oxydes de cuivre de terres rares, n'ont été découverts qu'en 1986, il faudra un peu plus de temps avant de pouvoir les appliquer aux fonctions quotidiennes, " dit le professeur Yuan.

"Mais Strathclyde est leader au Royaume-Uni dans ce domaine, à la fois en termes de volume de recherche et de taille de l'équipe."