Un élégant avion solaire sans pilote qui vole dans l’atmosphère pour surveiller le climat ou suivre les incendies de forêt n’était autrefois qu’une idée. Aujourd’hui, ces aéronefs spécialisés de haute altitude progressent des premières démonstrations de prototypage vers d’éventuelles applications commerciales, soutenus par des décennies de recherche et de développement impliquant des scientifiques de Harvard, des ingénieurs aérospatiaux et des partenaires industriels.
Dans un nouvel article publié dans ACS Energy Letters, des chercheurs de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en collaboration avec des partenaires industriels et l’Université du Michigan, tracent la voie pour surmonter le principal obstacle auquel se heurte encore le vol solaire de longue durée : la performance des batteries.
Les aéronefs solaires à voilure fixe de longue endurance sont conçus pour voler pendant des semaines ou des mois d’affilée dans la stratosphère – soit deux fois l’altitude de croisière de 30 000 pieds des avions de ligne, et plus haut que la plupart des nuages et des intempéries. Ces aéronefs doivent utiliser l’excédent d’énergie solaire pendant la journée pour recharger continuellement leurs batteries, puis compter sur ces batteries la nuit.
Le chercheur de Harvard Craig Mascarenhas, qui dirige les recherches en ingénierie sur l’aviation solaire au sein du laboratoire de Jim Anderson, titulaire de la chaire Philip S. Weld de chimie atmosphérique à la SEAS, a piloté l’étude qui établit des objectifs de performance pour les batteries des avions solaires de nouvelle génération.
« C’est cette relation mathématique circulaire : il faut plus de stockage d’énergie, mais les batteries deviennent plus lourdes, donc il faut désormais plus de puissance pour la propulser dans l’air afin d’obtenir plus de portance », a expliqué Mascarenhas, aujourd’hui ingénieur spécialisé dans les systèmes de transfert d’énergie sans fil pour les missions lunaires de la NASA, mais qui maintient une collaboration avec le laboratoire d’Anderson.
Des données atmosphériques à haute résolution pour de nombreuses applications
Anderson, qui travaille sur les concepts d’avions solaires depuis trois décennies, dirige la branche Harvard d’une collaboration de recherche appelée SACOS, pour Stratospheric Airborne Climate Observing System (système d’observation climatique aéroporté stratosphérique), qui a été financée par la NASA et comprend des partenaires du MIT ainsi que des entreprises aérospatiales privées.
Une fois optimisé, le vol solaire stratosphérique pourrait fournir des observations atmosphériques et climatiques persistantes et détaillées, aujourd’hui difficiles et coûteuses à obtenir. L’avion à haute altitude ER-2 de la NASA, par exemple, effectue des missions scientifiques avec un pilote et des instruments à bord pour collecter des données, mais seulement pendant six à huit heures d’affilée, pour des dizaines de milliers de dollars par heure de vol.
En revanche, un avion solaire moderne sans pilote pourrait rester en vol pendant des mois, nécessiter moins de personnel et des coûts d’exploitation réduits, et pourrait servir, par exemple, à surveiller de manière répétée un même site afin d’obtenir des données de haute qualité. La valeur potentielle irait de nouvelles recherches en chimie atmosphérique au suivi des ouragans, en passant par la surveillance et la prédiction des incendies de forêt.
La densité énergétique plutôt que la densité de puissance
Dans leur analyse, mise à l’honneur en couverture de la revue, les chercheurs ont identifié 500 wattheures par kilogramme comme un seuil important pour la densité énergétique de la batterie d’un avion solaire stratosphérique. À ce niveau, soutiennent-ils, le vol persistant devient viable dans de nombreuses régions du monde où les conditions atmosphériques le permettent.
Par comparaison, les batteries commerciales actuelles des véhicules électriques se situent dans la fourchette d’environ 250 wattheures par kilogramme, tandis que des cellules expérimentales ou spécialisées de l’ordre de 400 wattheures par kilogramme sont déjà disponibles. « Nous y sommes presque », a déclaré Mascarenhas. « Ces cellules sont très coûteuses actuellement, mais leur prix baisse très rapidement. »
Dans le cas de ce type d’aéronef, souligne l’article, la densité énergétique compte bien davantage que la densité de puissance, étant donné que les besoins en puissance de l’appareil sont extrêmement faibles, mais que l’énergie nécessaire pour stocker suffisamment d’énergie afin de maintenir le vol reste élevée. Les développeurs de batteries devraient donc donner la priorité à la densité énergétique, plutôt que d’optimiser à égalité la densité énergétique et la densité de puissance, ce qui constitue un principe d’ingénierie plus conventionnel. L’étude s’est également appuyée sur l’expertise en science des batteries des coauteurs Venkatasubramanian Viswanathan et Shashank Sripad, dont les travaux se concentrent sur le stockage d’énergie de nouvelle génération et l’aviation électrique.
L’article est co-signé par John Langford, un entrepreneur aérospatial dont les entreprises ont construit et fait voler des avions solaires expérimentaux, et avec lequel Anderson entretient une collaboration de recherche de longue date.
L’entreprise de Langford, Iris Aero, est actuellement financée par une subvention du National Institute of Food and Agriculture du ministère américain de l’Agriculture, l’équipe de Harvard servant de partenaire de recherche. Anderson et Mascarenhas dirigent l’orientation scientifique de ce projet, qui vise à soutenir des modèles d’apprentissage profond et de transfert radiatif pour la cartographie des incendies de forêt et la détection environnementale, rendus possibles par l’observation aéroportée stratosphérique décrite dans le récent article de la revue ACS Energy Letters.
Mascarenhas a déclaré être particulièrement motivé par l’application liée aux incendies de forêt. « Je suis passionné par la réduction des dégâts et des destructions causés par les incendies de forêt à travers le monde », a-t-il déclaré. « Je trouve très enthousiasmantes les capacités que ce projet débloque de manière unique. »
Article : Powering the Persistent Observation of Earth: Battery Targets for Solar Stratospheric Aircraft – Journal : ACS Energy Letters – Méthode : Data/statistical analysis – DOI : Lien vers l’étude
Source : Harvard SEAS
