Incendies : développer un « drone‑avion » pour détecter les gaz toxiques dans les panaches de fumée

Renaud Kiefer, INSA Strasbourg

L’essentiel

• Les nuages de fumée générés par les incendies peuvent présenter une toxicité immédiate et sur le long terme.
• Aujourd’hui, ces toxicités sont évaluées par des prélèvements au sol et la position des retombées par des modélisations du panache de fumée.
• Pour accompagner les secours, et leur permettre de prendre rapidement la décision d’évacuer ou non, les chercheurs développent un drone de longue endurance qui permettra d’analyser en temps réel les gaz et les particules des incendies, en s’appuyant sur l’expertise de terrain des sapeurs-pompiers.

À Rouen, le 26 septembre 2019, une usine de produits chimiques de la société Lubrizol classée Seveso seuil haut (« à haut risque ») a pris feu. Cet énorme incendie a généré un énorme panache noir qui s’est étendu sur plusieurs dizaines de kilomètres, et touché également des entrepôts de Normandie Logistique. Dans le cadre de la gestion de l’accident, différentes mesures ont été prises pour la protection de la population : confinement, fermetures d’écoles, suspension de certaines activités agricoles, etc.

Cet incendie a déclenché une prise de conscience collective sur la dangerosité des fumées d’incendie et a mis en évidence la nécessité, pour les sapeurs-pompiers, d’adapter leurs doctrines d’intervention et de se doter de moyens de détection complémentaires afin de réaliser des mesures de toxicité de ces fumées.

Les services d’incendie et de secours disposent d’équipes spécialisées en risques chimiques et de moyens pour mesurer les principaux polluants générés par les feux (mesure de tailles et de la quantité des microparticules, mesures de gaz tels que le dioxyde d’azote (NO₂), dioxyde de carbone (CO₂), le dioxyde de soufre (SO₂), le chlorure d’hydrogène anhydre (HCl), l’acide fluorhydrique (HF), le chlorure d’hydrogène anhydre (HCl) entre autres).

Mais ces relevés se font actuellement au niveau du sol, une fois que le panache de fumée retombe, souvent à une distance importante de l’incendie, après refroidissement ou en raison d’une inversion thermique météorologique. Le directeur des opérations de secours s’appuie également sur l’expertise de ces équipes spécialisées en risques chimiques afin de déterminer les mesures à mettre en œuvre pour assurer la protection immédiate de la population.

Ces relevés sont complétés par des modélisations des panaches, réalisées par les équipes de l’Institut National de l’environnement industriel et des risques (INERIS), pour évaluer la localisation des dépôts et leurs concentrations théoriques dans le cadre du suivi des conséquences post-accidentelles de l’évènement.

En d’autres termes, on manque aujourd’hui de moyens pour faire des relevés géolocalisés de différentes molécules toxiques et de particules avant leur retombée au sol. C’est pourquoi nous travaillons sur une solution qui permette de faire des relevés systématiques et automatiques durant la durée d’un incendie, au sein du panache, avant que les fumées ne retombent. Pour mieux comprendre les contraintes sur le terrain et tester les prototypes, nous travaillons directement avec le service d’incendie et de sécurité des sapeurs-pompiers du Bas-Rhin (SIS 67).

Une analyse immédiate de la toxicité de l’air grâce à des drones

Pour essayer de mesurer les polluants chimiques des fumées avant leur retombée, plusieurs projets de recherches utilisent des approches innovantes grâce à des flottes de drones, très souvent des multirotors, pour mesurer et cartographier la pollution atmosphérique.

Dans ces recherches, les drones de la flotte peuvent être coordonnés par la méthode d’apprentissage par renforcement coopératif, ce qui permet de produire des cartes de panache fiables. L’autonomie des drones multirotors est souvent limitée à 20 à 30 minutes avec leur charge utile de capteurs embarqués.

Avec mon équipe et nos collaborateurs du Projet INTERREG HEDRAF, nous cherchons à aller plus loin en développant un drone à voilure fixe de type avion avec une capacité de décollage et atterrissage vertical en nous appuyant sur le développement d’un premier drone (STORK MK.II) lors sur projet INTERREG ELCOD. En d’autres termes, notre drone pourra décoller verticalement comme un multicoptère, puis se déplacer comme un avion pour couvrir plus de distance et consommer moins d’énergie. Il permettra de cartographier la toxicité des fumées en temps réel.

Ce drone sera basé sur une propulsion électrique hybride grâce à l’association d’une pile à hydrogène, de batteries et de cellules solaires, ce qui doit permettre une autonomie de cinq heures. Nous travaillons à l’optimisation de ce système avec des algorithmes d’hybridation. Ceux-ci doivent permettre d’améliorer la durée de vie de la pile à combustible qui est sensible aux pics de courants, et optimiser le transfert énergétique des différentes sources d’énergie.

Les concentrations des polluants chimiques gazeux et des particules seront mesurées à l’aide de capteurs embarqués qui transmettent leurs résultats en temps réel aux forces de secours au sol. Ceux-ci pourront obtenir une analyse immédiate de la toxicité de l’air avant leur retombée au sol, ce qui leur permettra de décider s’il faut évacuer la population ou si le risque est maîtrisé.

Une question de trajectoire : suivre la bordure du panache

Ce drone à voilure fixe ne doit pas rentrer au milieu du panache pour faire les relevés chimiques car les concentrations en polluant sont souvent beaucoup trop élevées, ce qui risque de saturer les capteurs voire de les endommager définitivement.

Un des aspects du projet est donc de développer des algorithmes de pilotage automatique pour permettre au drone de suivre la bordure du panache pour y faire des relevés sans saturer les capteurs. L’idée est de travailler sur différents scénarios de vols pour permettre au drone de suivre le panache, d’en cartographier les polluants pour dresser une carte et évaluer les risques potentiels lors de leur retombée au sol.

À cette étape, nous utilisons la concentration en particules mesurées par un capteur optique de particules fines pour évaluer et ajuster en temps réel la trajectoire du drone. En effet, les capteurs électrochimiques utilisés ne permettent pas d’ajuster cette trajectoire en temps réel. Du fait de leurs temps de réponse très lents (quelques dizaines de secondes).

Prélèvements en vol et analyse immédiate dans le véhicule spécialisé des sapeurs-pompiers

Le drone pourra également prélever un échantillon d’air grâce à un préleveur composé d’un solide adsorbant qui retient les gaz capturés à sa surface.

Cet échantillon sera ensuite ramené par le drone vers un laboratoire mobile au sol, potentiellement un véhicule des sapeurs-pompiers pour obtenir une analyse directe et très précise des polluants.

Une de nos expertises est de développer des outils d’analyse miniaturisés et portables prêts à l’emploi. Ces instruments sont très sensibles, automatisés et pilotables à distance par un expert.

En parallèle, nous développons une électronique qui sera embarquée sur le drone afin d’intégrer des capteurs de particules de 2,5 micromètres et 10 micromètres ainsi que des capteurs électrochimiques pour analyser et géolocaliser les fumées en vol en temps réel.

Intégration de cellules solaires organiques dans les ailes

Afin de prolonger l’autonomie de vol du drone, celui-ci sera équipé de cellules solaires fabriquées à partir de matériaux organiques souples (plastique). La particularité des cellules solaires organiques réside dans le fait qu’elles sont extrêmement fines, légères et souples, tout en étant recyclables à 99 %. De plus, les modules peuvent présenter pratiquement n’importe quelle forme. Même si leur rendement est pour l’instant encore inférieur à celui des cellules solaires à base de silicium, leur souplesse et la liberté de conception qu’elles offrent permettent de les installer plus facilement sur la quasi-totalité de la surface de l’aile et devraient permettre de prolonger la durée de vol en croisière de 15 à 20 %, ce qui correspond à presque une heure supplémentaire pour un vol de cinq heures en cas de conditions météo favorables !

Pour cela, nous développons un processus de moulage qui permettra d’intégrer directement les cellules photovoltaïques organiques aux ailes conçues en matériaux composites biosourcés (à base de fibre de lin et de résine recyclable) associés à des fibres de carbones pour améliorer les propriétés mécaniques des ailes de l’avion.

Un grand merci au soutien du SIS67 et de l’équipe du Lieutenant-Colonel Patrice PETIT.

Renaud Kiefer, Maître de conférences en Génie Electrique, INSA Strasbourg

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.