Les émissions massives de carbone produites par l’aviation pourraient considérablement diminuer avec l’électrification. Jusqu’à présent, seuls de petits avions entièrement électriques ont réussi à décoller, leurs moteurs électriques générant des centaines de kilowatts de puissance.
Pour électrifier des avions plus grands et plus lourds, tels que les avions de ligne commerciaux, des moteurs à l’échelle du mégawatt sont nécessaires. Ces derniers seraient propulsés par des systèmes de propulsion hybrides ou turbo-électriques, où une machine électrique est couplée à un moteur à turbine à gaz aéronautique.
Pour répondre à ce besoin, une équipe d’ingénieurs du MIT travaille actuellement à la création d’un moteur de 1 mégawatt, qui pourrait constituer une avancée majeure vers l’électrification des avions de plus grande taille. L’équipe a conçu et testé les principaux composants du moteur, et a démontré, à travers des calculs détaillés, que les composants couplés peuvent fonctionner ensemble pour générer un mégawatt de puissance, avec un poids et une taille compétitifs par rapport aux petits moteurs aéronautiques actuels.
Des moteurs de classe mégawatt
Pour des applications entièrement électriques, l’équipe envisage de coupler le moteur à une source d’électricité telle qu’une batterie ou une pile à combustible. Le moteur pourrait alors convertir l’énergie électrique en travail mécanique pour alimenter les hélices d’un avion. La machine électrique pourrait également être couplée à un moteur à réaction traditionnel pour fonctionner en tant que système de propulsion hybride, offrant une propulsion électrique pendant certaines phases de vol.
« Quel que soit le vecteur d’énergie que nous utilisons – batteries, hydrogène, ammoniaque ou carburants d’aviation durables – indépendamment de tout cela, les moteurs de classe mégawatt seront un élément clé pour verdir l’aviation« , déclare Zoltan Spakovszky, Professeur T. Wilson en aéronautique et Directeur du Laboratoire de Turbines à Gaz (GTL) au MIT, qui dirige le projet.
Une équation difficile à résoudre
Pour atteindre les émissions mondiales de dioxyde de carbone zéro net d’ici 2050, en matière d’aviation, Zoltan Spakovszky affirme qu’il faudra des « avancées majeures » dans la conception d’avions non conventionnels, de systèmes de carburant intelligents et flexibles, de matériaux avancés et de propulsion électrifiée sûre et efficace.
De nombreuses entreprises aérospatiales se concentrent sur la propulsion électrifiée et la conception de machines électriques à l’échelle du mégawatt, assez puissantes et légères pour propulser des avions de ligne.
« Il n’y a pas de solution miracle pour y parvenir, et le diable est dans les détails« , prévient Zoltan Spakovszky. « C’est un véritable défi d’ingénierie, en termes de co-optimisation des composants individuels et de leur compatibilité, tout en maximisant les performances globales. Pour ce faire, nous devons repousser les limites dans les domaines des matériaux, de la fabrication, de la gestion thermique, des structures et de la dynamique des rotors, ainsi que de l’électronique de puissance« .
Des machines électriques : le principe
En termes généraux, un moteur électrique utilise la force électromagnétique pour générer un mouvement. Les moteurs électriques, comme ceux qui alimentent le ventilateur de votre ordinateur portable, utilisent l’énergie électrique – provenant d’une batterie ou d’une alimentation électrique – pour créer un champ magnétique, généralement à travers des bobines de cuivre. En réponse, un aimant, placé près des bobines, tourne alors dans la direction du champ généré et peut ensuite entraîner un ventilateur ou une hélice.
Les machines électriques existent depuis plus de 150 ans, avec l’idée reçue que plus l’appareil ou le véhicule est grand, plus les bobines de cuivre et le rotor magnétique sont importants, rendant la machine plus lourde. Plus la machine électrique génère de puissance, plus elle produit de chaleur, ce qui nécessite des éléments supplémentaires pour maintenir les composants au frais – tout cela peut prendre de l’espace et ajouter un poids significatif au système, ce qui constitue un défi pour les applications aéronautiques.
Un système compact, léger et puissant
« Les choses lourdes ne vont pas dans les avions« , rappelle Zoltan Spakovszky. « Nous avons donc dû concevoir une architecture compacte, légère et puissante.«
Le moteur électrique du MIT et l’électronique de puissance sont chacun de la taille d’une valise de cabine, pesant moins qu’un passager adulte. Le moteur est conçu pour minimiser la perte de transmission et permettre un refroidissement efficace de l’air à travers l’échangeur de chaleur intégré.
Une trajectoire prometteuse
« L’électrification des avions est en constante progression« , déclare Phillip Ansell, directeur du Centre pour l’aviation durable à l’Université de l’Illinois. « Des travaux comme ceux du MIT sont une étape cruciale vers l’atteinte de nos objectifs en matière de changement climatique. »
Selon Phillip Ansell, l’avenir est prometteur pour l’aviation électrique, et les avancées dans la technologie des batteries et des matériaux continueront à propulser cette nouvelle ère de l’aviation. « Il est possible que nous assistions à des avions entièrement électriques ou hybrides dans les prochaines décennies. L’initiative du MIT représente une étape importante sur cette voie.«
Un système intégré de pointe
Dans la conception de ce moteur, le groupe MIT a réalisé un design totalement co-optimisé et intégré. « Nous avons effectué une exploration très poussée de l’espace de conception, où tous les facteurs, de la gestion thermique à la dynamique des rotors, en passant par l’électronique de puissance et l’architecture de la machine électrique, ont été évalués de manière intégrée afin de déterminer la meilleure combinaison possible pour obtenir la puissance spécifique requise d’un mégawatt« , déclare Zoltan Spakovszky.
Les principales composantes du moteur sont : un rotor à haute vitesse, garni d’un assortiment d’aimants à polarité orientée de manière variable ; un stator compact à faible perte qui s’insère à l’intérieur du rotor et contient un ensemble complexe de bobines de cuivre ; un échangeur de chaleur avancé qui maintient les composants au frais tout en transmettant le couple de la machine ; et un système d’électronique de puissance distribué, composé de 30 cartes de circuits imprimés spécialement conçues, qui modifient avec précision les courants circulant dans chacune des bobines du stator, à haute fréquence.
Pour minimiser les risques, l’équipe a construit et testé individuellement chacun des principaux composants et a démontré qu’ils peuvent fonctionner comme prévu et dans des conditions dépassant les exigences opérationnelles normales. Les chercheurs prévoient d’assembler le premier moteur électrique entièrement fonctionnel et de commencer les tests à l’automne.
Vers une aviation plus écologique et durable
Une fois que l’équipe du MIT pourra démontrer le fonctionnement du moteur électrique dans son ensemble, ils affirment que le design pourrait alimenter des avions régionaux et pourrait également compléter les moteurs à réaction conventionnels, pour permettre des systèmes de propulsion hybrides.
L’équipe envisage également que plusieurs moteurs d’un mégawatt pourraient alimenter plusieurs hélices répartis le long de l’aile sur de futures configurations d’avions.
En regardant vers l’avenir, les fondations de la conception de la machine électrique d’un mégawatt pourraient potentiellement être mises à l’échelle pour des moteurs de plusieurs mégawatts, pour alimenter de plus grands avions de ligne.
FAQ
1. Qu’est-ce qu’un moteur électrique d’un mégawatt ? Un moteur électrique d’un mégawatt est une machine électrique capable de générer une puissance d’un mégawatt. Il est conçu pour être léger et efficace, deux caractéristiques essentielles pour une utilisation dans l’aviation.
2. Comment ce moteur contribue-t-il à la réduction des émissions de carbone ? En utilisant l’électricité comme source d’énergie plutôt que des combustibles fossiles, les moteurs électriques ne produisent pas de gaz à effet de serre lorsqu’ils fonctionnent. Ils peuvent donc contribuer à réduire les émissions globales de carbone de l’aviation si on utilise une source d’électricité renouvelable pour les recharger.
3. Quand ce moteur sera-t-il prêt à être utilisé dans les avions commerciaux ? L’équipe du MIT prévoit de commencer les tests sur le premier moteur électrique entièrement fonctionnel à l’automne. Cependant, il faudra probablement plusieurs années de tests supplémentaires avant qu’il ne soit prêt à être utilisé dans les avions commerciaux.
4. Quels sont les défis à surmonter pour utiliser ces moteurs dans l’aviation ? L’un des principaux défis est le poids. Les moteurs électriques doivent être suffisamment légers pour être utilisés dans les avions, ce qui impose des contraintes sur la taille et le poids des composants. De plus, la gestion de la chaleur est un défi majeur, car les moteurs électriques génèrent beaucoup de chaleur lorsqu’ils fonctionnent.
5. Pourquoi un moteur d’un mégawatt est-il important pour l’aviation électrique ? Un moteur d’un mégawatt a la puissance nécessaire pour propulser de petits avions à passagers. Si l’on parvient à produire de tels moteurs à grande échelle, ils pourraient rendre l’aviation électrique beaucoup plus viable et répandue.
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