L'un des principaux objectifs des agences spatiales et de l'aérospatiale commerciale de nos jours est de réduire les coûts associés de l'exploration spatiale. Mais ce n'est pas seulement le coût de l'envoi de charges utiles dans l'espace (et la pollution qu'il provoque) qui inquiète des agences comme la NASA.
Il y a aussi le coût (économique et environnemental) associé à l'aviation. Le carburéacteur n'est pas bon marché non plus, et le transport aérien commercial représente 4 à 9% des gaz à effet de serre d'origine anthropique (et est en augmentation). Pour cette raison, la NASA s'est associée à l'industrie commerciale pour développer des avions électriques, qui, espèrent-ils, fourniront une alternative économique et économique aux avions commerciaux d'ici 2035.
Cela représente un défi important car bon nombre des composants nécessaires pour créer un avion électrique fonctionnel sont plutôt gros et lourds. En particulier, le programme avancé des véhicules aériens de la NASA (AAVP) recherche des onduleurs légers et compacts - un élément central d'un système électrique qui fournit de l'énergie pour entraîner le moteur électrique.
Les onduleurs sont essentiels aux systèmes de propulsion électroniques car ils convertissent le courant alternatif (CA) - généré par les générateurs montés sur le moteur et les moteurs électriques entraînés par les hélices - en courant continu (CC) haute tension. Malheureusement, les composants nécessaires pour générer cette quantité d'énergie - générateurs, électronique de conversion de puissance, moteurs, etc. - ont été historiquement beaucoup trop grands et lourds pour tenir dans un avion.
Cela crée une sorte d'énigme, car la quantité d'énergie nécessaire pour générer l'ascenseur nécessaire nécessiterait une électronique encore plus lourde. C'est pourquoi la NASA étudie la science des matériaux de pointe pour créer une électronique plus légère et plus petite. À cette fin, ils ont récemment signé un contrat de 12 millions de dollars avec General Electric (GE), l'un des leaders mondiaux dans le développement de technologies de pointe en carbure de silicium (SiC).
Ce minéral semi-conducteur est utilisé dans la fabrication d'électronique haute température et haute tension, et GE espère l'utiliser pour répondre aux exigences de taille, de puissance et d'efficacité spécifiées par la NASA. Ces spécifications nécessitent un onduleur qui n'est pas plus grand qu'une valise et capable de générer un mégawatt (MW) d'électricité.
Comme Jim Heidmann, directeur du projet de technologie avancée du transport aérien de la NASA, l'a expliqué dans un communiqué de presse de la NASA:
«Nous sommes à un moment critique de l’histoire de l’aviation, car nous avons la possibilité de développer des systèmes qui réduiront les coûts, la consommation d’énergie et le bruit, tout en ouvrant de nouveaux marchés et opportunités pour les entreprises américaines. Il est impératif que nous travaillions avec l’industrie et le monde universitaire pour veiller à ce que les bonnes technologies soient disponibles pour répondre aux demandes des futurs passagers et transporteurs. »
En termes simples, un mégawatt est une énorme quantité d'électricité et la gestion de ce type d'énergie en toute sécurité est un défi majeur. Par exemple, la NASA
Mais grâce aux progrès réalisés ces dernières années dans le domaine de l'électronique et de la technologie des moteurs hybrides, ces exigences pourraient être à portée de main. Dit Amy Jankovsky, responsable du sous-projet de propulsion hybride gaz-électrique au Glenn Research Center de la NASA:
«Avec les avancées récentes dans les matériaux et l'électronique de puissance, nous commençons à surmonter les défis rencontrés dans le développement de concepts d'électrification à réduction d'énergie, et ce travail sur les onduleurs est une étape critique dans nos efforts de propulsion des avions électrifiés. Notre partenariat avec GE est essentiel pour faire progresser la masse volante et les composants prêts pour le vol dans la classe des mégawatts pour les futurs avions de transport. »
Le carbure de silicium est particulièrement prometteur pour les applications aéronautiques de haute puissance en raison de ses propriétés matérielles. Il offre des températures de fonctionnement élevées, une haute tension et une capacité de gestion de puissance élevée. Ces avantages permettront aux ingénieurs de concevoir des composants plus petits et plus légers tout en augmentant la puissance de sortie.
«Nous emballons essentiellement un mégawatt d’énergie dans la taille d’une valise compacte qui convertira suffisamment d’énergie électrique pour permettre des architectures de propulsion hybride-électrique pour les avions commerciaux», a déclaré Konrad Weeber, ingénieur en chef de l’énergie électrique chez GE Research. «Nous avons construit et démontré avec succès des onduleurs au niveau du sol qui répondent aux exigences de puissance, de taille et d'efficacité du vol électrique.»
Le développement de ces systèmes électriques se déroule actuellement au banc d'essai des avions électriques de la NASA (NEAT) à Sandusky, en Ohio, qui était auparavant le tunnel hypersonique de la NASA Glenn. Premier du genre, ce banc d'essai reconfigurable est chargé de la conception, du développement, de l'assemblage et des tests des systèmes d'alimentation électrique des avions qui entreront dans la création de tout, des avions à deux personnes aux avions de ligne de 20 MW.
En mai dernier, NEAT a pu effectuer son premier test à l'échelle du mégawatt grâce aux énormes quantités d'énergie auxquelles l'installation a accès. Cela et le partenariat récemment signé avec GE surviennent peu de temps après que la NASA a annoncé un autre partenariat lucratif avec GE et deux grandes sociétés aérospatiales - Boeing et United Technologies Pratt & Whitney - pour étudier les avantages et les risques possibles des démonstrations de vol à l'échelle du mégawatt.
Comme Barb Esker, le directeur adjoint du programme de véhicules aériens avancés de la NASA, l'a dit:
«Les démonstrations en vol sont un élément important du développement technologique car elles offrent à nos ingénieurs et partenaires industriels la possibilité de résoudre des problèmes et de prouver des concepts dans un cadre réaliste, tout en relevant les défis auxquels est confrontée la propulsion électrifiée dans l'aviation.»
Entre la menace du changement climatique et le fait que la population mondiale devrait atteindre près de 10 milliards d’ici 2050, il est clair que des moyens alternatifs de fabrication, de production d’énergie et de transport doivent être développés. Il est bon de savoir qu’à côté des voitures électriques et hybrides, nous pouvons nous réjouir des avions électriques et hybrides.
