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Technologie

Voler vers le futur

28-03-2016

Avril 2046. Sur le tarmac de l’aéroport Pierre-Elliott-Trudeau, à Montréal, un avion en forme de raie manta géante s’apprête à accueillir ses passagers. Il vaut mieux qu’ils ne soient pas claus­­trophobes, car l’a­vion n’a pas de hublots. Les parois de la carlingue sont trop minces pour que l’on puisse y percer des ouvertures. Mais tout au long du vol, les voyageurs pourront apprécier le panorama céleste en réalité virtuelle.

Les ingénieurs ont commencé à travailler sur cet appareil en 2010. Objectif déclaré: concevoir un avion écologique. Ainsi, tout a été pensé pour qu’il soit léger et peu énergivore.

L’appareil est propulsé grâce à un système d’assistance alimenté à l’électricité. À 10 000 m d’altitude, au moment où il atteint sa vitesse de croisière, le pilote coupe les moteurs à combustion et enclenche la propulsion électrique. L’appareil file maintenant dans un silence impressionnant. Puis, il va se joindre à un groupe d’avions volant dans une formation en V, comme le font les oiseaux migrateurs.

C’est la précision des systèmes de navigation qui leur permet de mimer les oies blanches, réduisant ainsi la traînée aérodynamique et les coûts énergétiques. Pour les mêmes raisons, les ailettes (winglets) sont positionnées verticalement aux extrémités des ailes, là où se développent des tourbillons d’air.

Un rêve vert, ce vol en 2046? En tout cas, c’est celui des constructeurs d’avions et des compagnies aériennes qui entendent trouver le moyen de réduire de 70% leur consommation de carburant.

En 2014, 3,3 milliards de personnes ont pris l’avion. Leur empreinte écologique est énorme. Un seul vol aller-retour Montréal-Paris émet 3,27 tonnes de CO2; c’est l’équivalent de l’utilisation d’une petite voiture sur près de 17 000 km. Au total, les voyages en avion rejettent 750 millions de tonnes de CO2 dans l’atmosphère, soit 2% des émissions annuelles de la planète. Et on n’a rien vu! Car l’Association internationale du transport aérien (AITA) prévoit une croissance annuelle de 5% des déplacements au cours des années à venir.

Des avions hybrides

Christopher Droney, superviseur du programme Subsonic Ultra Green Aircraft Research (SUGAR Volt) pour Boeing, fait partie des chercheurs qui innovent afin d’améliorer les techno­lo­gies visant à réduire l’empreinte envi­ron­­ne­mentale de l’industrie aéro­­nau­tique. En collaboration avec la NASA, Boeing travaille sur un nouveau concept d’a­vions bimoteurs à propulsion hybride. Ce qui semble, à première vue, une technologie simple déjà disponible pour le transport terrestre se prête cependant beaucoup moins bien à faire voler un avion de la taille de l’Airbus A380, qui pèse jusqu’à 560 tonnes, ou même un aéronef de taille moyenne comme le Bombardier CS300 qui pèse 67,5 tonnes.

Rappelons que la consommation de carburant d’un avion est intimement liée à son poids, souligne Christopher Droney.

Pour qu’un appareil commercial comme le SUGAR Volt soit efficace en vol, la densité d’énergie dans les batteries devra être multipliée par trois. «Car, nous pouvons transporter beaucoup moins d’énergie dans un kilo de batteries que dans un kilo de carburant», dit-il. C’est pourquoi on ne peut pas s’attendre à voir des avions hybrides dans le ciel avant 2030, voire 2050, estime M. Droney.

«Un système de propulsion qui implique deux sources d’énergie est très complexe, ajoute-t-il. Dans certains de nos tests, par exemple, la quantité d’énergie totale nécessaire pour faire voler l’avion augmentait la dépendance sur les batteries si on voulait réduire au minimum la consommation de carburant, ce qui n’est pas souhaitable. On doit trouver le juste milieu pour opti­miser les gains d’efficacité.»

Le SUGAR Volt aurait néanmoins un potentiel de réduction de carburant de 70%. Mise à part la propulsion hybride, cet atout lui serait conféré par un nouveau design des ailes (plus longues et plus étroites) qui lui assurerait une meilleure portée, tout en réduisant la friction. Ces ailes plus longues seraient rétractables (ou pliables) pour faciliter la circulation dans les aéroports actuels.

Jay Dryer, le directeur du programme de conception d’avions avancés de la NASA, est très encouragé par les technologies permettant de réduire le poids de l’appareil et d’améliorer son aérodynamisme telles qu’elles ont été développées au cours des dernières années. «En 2050, nous croyons que nous aurons mis au point les technologies qui nous permettront de réduire notre consommation de carburant de 70%, dit-il. Reste à savoir si nous pourrons rendre ces technologies rentables pour les constructeurs. Pour nous, c’est une période très excitante.»

Réduire le poids des aéronefs est l’un des principaux défis à relever si on veut pouvoir utiliser moins de kérosène. Une diminution de poids de 1% représente une économie en carburant avoisinant 0,75%.

Une composition parfaite

Pour les chercheurs en aéronautique de l’Université Concordia, à Montréal, l’enjeu tient aussi à la composition des matériaux. Ils se sont adjoint le robot XTP-500 pour optimiser leur résistance et en réduire la quantité. Le bras robotisé sait adapter l’angle des fibres qu’il dépose couche par couche en fonction du design développé par les ingénieurs.

«Nous pouvons positionner les fibres des matériaux composites comme nous le voulons, ce qui nous permet de fabriquer des équipements plus légers et plus résistants», affirme Suong Van Hoa, professeur au département de génie industriel et mécanique de l’Université Concordia, et membre de l’Institut de conception et d’innovation en aérospatiale (ICIA). Fini les pièces métalliques uniformes, machinées et soudées; les matériaux composites permettent bien plus de flexibilité. «C’est un procédé de fabrication additive qui nous permet de réaliser des formes plus complexes», précise l’assistant chercheur et étudiant à la maîtrise, Jeffrey Fortin-Simpson.

À l’heure actuelle, le robot de l’Université Concordia travaille principalement avec des thermoplastiques ou des thermodurcissables, deux matériaux composites à base de polymères. Si les seconds sont plus économiques à fabriquer, les premiers sont généralement plus résistants et ils peuvent être recyclés.

«Nous travaillons sur un matériau à base d’époxy, mais qui contient aussi des agents “autoguérisseurs”, sous la forme de microcapsules. Quand un bris survient, l’air stimule les catalyseurs qui régénèrent alors la partie manquante», explique Suong Van Hoa. Autrement dit, une aile d’avion pourra s’«autoréparer».

Si les technologies de l’avenir laissent présager une métamorphose de nos avions, l’industrie aéronautique a convenu aussi de s’attaquer aux émissions de GES.
C’est le moment ou jamais pour réaliser ce bon en avant! En effet, près de 30 000 nou­veaux avions seront nécessaires d’ici 2035 pour remplacer les appareils vieillissants et répondre à la demande croissante. C’est dans cette optique que Bombardier a développé les appareils de sa CSeries, qui consomment 20% moins de carburant que les appareils similaires en production à l’heure actuelle.

Pour y parvenir, Bombardier a réduit le poids des avions de 5% à 15%, selon les configurations choisies, grâce à l’utilisation de matériaux composites et de nouveaux alliages d’aluminium-lithium. Une meilleure aérodynamique a aussi permis de gagner entre 5% et 10% d’efficacité.

Afin de réduire à la source la consommation de carburant, Bombardier a implanté un moteur plus performant, développé par Pratt & Whitney, souligne Fassi Kafyeke, directeur principal, Technologies stratégiques et conception avancée chez Bombardier. «Le système de turbosoufflante à engrenage affiche l’un des taux de dilution (12:1) les plus élevés de toutes les turbosoufflantes du monde, ce qui permet des réductions de consommation de 10% à 20%», dit-il.

Christian Moreau, professeur en génie mécanique et industriel à l’Université Concordia, connaît bien ce nouveau moteur. Il travaille d’ailleurs avec la compagnie Pratt & Whitney pour en améliorer l’efficacité. Avec son équipe, il cherche à développer des revêtements qui permettront d’augmenter les températures d’opération du moteur et de prolonger sa durée de vie, tout en réduisant son poids et en atténuant son impact environnemental. «Les nouveaux matériaux vont permettre d’augmenter de quelques centaines de degrés les températures d’opération des moteurs, ce qui ferait gagner un certain pourcentage d’efficacité», fait-il remarquer.

C’est un procédé de projection par plasma de suspension qui est utilisé pour fabriquer de tels revêtements. «On fait fondre des grains de poudre de métal ou de céramique, d’une taille comprise entre 10 et 70 microns, portés à des températures qui varient entre 10 000 °C et 15 000 °C, pour en faire des gouttelettes, et on les projette à haute vitesse sur un substrat que l’on veut protéger», explique Christian Moreau qui est également titulaire de la Chaire de recherche du Canada en ingénierie de surface et projection thermique.

Pour l’instant, le matériau de prédilection est la zircone (ZrO2), une céramique qui commence à se transformer à 1 200 °C. Pour augmenter les performances des barrières thermiques, l’équipe de Christian Moreau travaille sur une nouvelle génération de matériaux à base de zircone et de terres rares, qui permet de réduire la conductivité thermique. Ils cherchent aussi à bâtir des barrières thermiques nanostructurées, avec des particules et une structure beaucoup plus fines. «Quand on contrôle bien le procédé, on peut faire croître le revêtement pour augmenter les performances de la barrière thermique», soutient l’expert.

Le besoin d’uniformiser

Il reste toutefois beaucoup de travail à faire pour bien comprendre le comportement physique et mécanique des différents matériaux pulvérisés à haute vitesse et à haute température. «Avoir un matériau hyper performant, c’est bien; mais il faut être capable d’uniformiser le procédé pour qu’il puisse être répété de manière commerciale dans les différentes usines d’une entreprise», nuance le professeur.

Les moteurs de CSeries de Bombardier peuvent aussi utiliser jusqu’à 50% de biocarburants dans leurs mélanges, souligne Fassi Kafyeke. On parle ici d’huile de cuisson; de gaz émis dans les dépotoirs; d’huile de cameline, d’algues, de tabac, de canne à sucre ou de résidus forestiers; de biocarburants de deuxième génération principalement issus de déchets et des parties non comestibles d’une récolte.

Embraer, le géant brésilien de l’aviation, principal compétiteur de Bombardier, mise aussi sur la réduction de carburants fossiles, souligne son directeur des communications, Marcio de Meo. «D’un point de vue technologique, les biocarburants devront être de type drop-in, c’est-à-dire qu’on pourra les mélanger avec les carburants fossiles dans les infrastructures existantes», précise-t-il.

Mais maintenant que les moteurs peuvent brûler plus de biocarburants, il revient aux compagnies aériennes de les utiliser. Deux problèmes persistent cependant, note Fassi Kafyeke: «Les quantités disponibles sur les marchés sont faibles et les coûts sont très peu compétitifs.» Plus la demande sera grande et plus la recherche permettra de produire des biocarburants à faible coût. D’ici 2020, l’industrie souhaite remplacer 6% des carburants fossiles par des biocarburants.

La compétition entre les grands manufacturiers d’avions a aussi un effet favorable sur l’environnement. «La CSeries a poussé les trois autres grands manufacturiers d’avions à “remotoriser” leurs appareils qui consomment maintenant 10% moins de carburant», soutient le chercheur de Bombardier.

L’industrie a aussi fait consensus pour produire des déclarations environnementales de produit (DEP) qui présen­tent une analyse complète du cycle de vie d’un avion, incluant le bilan complet des matières premières, ainsi que les quantités d’énergie et d’eau utilisées pour le fabriquer. Et c’est Bombardier qui imposera en quelque sorte les standards, puisqu’il produira la première DEP dans le cadre du lancement des avions de la CSeries.

Lors de la prochaine assemblée de l’Organisation internationale de l’avia­tion civile (OACI), à Montréal en septembre 2016, les États et les trans­por­teurs aériens souhaitent d’ailleurs s’entendre sur un système de compensation mondial des émissions de GES, dans le but d’en assurer le contrôle. Un autre pas dans la bonne direction.

Ça vole haut!
Voici trois innovations auxquelles travaille l’industrie aéronautique pour réduire son empreinte carbone.

Le vol très light 
Trop de carburant dans un avion, c’est comme un boulet à traîner. En calculant précisément la quantité d’essence à charger pour effectuer un déplacement, Air Canada a réduit ses émissions de CO2 de 2 500 tonnes par an. Ajoutez à cela l’utilisation de biocarburants et une bonne planification de vol, et Air Canada estime les réductions des GES à 40%, comparativement à un vol standard.

Le vol à volts
On est encore loin de l’avion électrique pour le transport de passagers mais, il y a quelques mois, un appareil de la compagnie Airbus a réalisé
un vol électrique de 74 km en 36 minutes entre le Royaume-Uni et la France.

L’aiguillage amélioré
Une meilleure gestion du trafic aérien permettrait de réduire encore le temps d’attente avant l’atterrissage ou avant le décollage. Au sol, le recours à des «taxis» électriques est envisagé pour déplacer les avions.

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