Article réalisé à partir de l’excellent blog du professeur Fabio Orecchini.
Propulsion au plasma, défi sino-américain pour l’avion zéro émission du futur
Le Boston MIT et le Wuhan Institute of Technological Sciences développent des prototypes de moteurs innovants pour voler sans brûler de kérosène.
La propulsion par plasma déclenche le défi technologique entre les États-Unis et la Chine. Le Massachusetts Institute of Technology de Boston et l’Institut des sciences technologiques de Wuhan ont développé deux prototypes très différents du moteur zéro émission pour les futurs avions.
Communément défini comme le quatrième état de la matière, le plasma est le protagoniste de nombreux phénomènes physiques et constitue plus de 99% de l’univers visible.
Le prototype de jet développé par le MIT
Le prototype développé par le MIT a démontré la possibilité de voler dans des conditions atmosphériques avec la création d’un vent ionique, obtenu grâce à la génération de plasma grâce à une différence de potentiel électrique de 40 000 volts et sans pièces mobiles. Le premier avion à vol solide, tel qu’il a été défini étant donné l’absence de mouvements mécaniques, pèse un peu moins de 2,27 kg et a une envergure de cinq mètres. La puissance du système électrique embarqué, alimenté par des batteries lithium polymère, est de 400 Watt. Le vol du prototype développé par le MIT mesurait 60 mètres de long et a été répété dix fois.
L’équipe ITS de Wuhan
Cependant, le défi de réaliser la propulsion au plasma atmosphérique pour l’aéronautique implique également des chercheurs de Wuhan en Chine. L’équipe ITS de Wuhan vise une solution complètement différente de celle du MIT. Le vol est soutenu par un système de propulsion à réaction similaire à celui des jets actuels.
La puissance obtenue, selon l’équipe de recherche, est beaucoup plus élevée que celle démontrée à Boston. La technologie développée à Wuhan démontre déjà 28 N / kW de force de levage dans le prototype, avec une pression de jet de 24 000 N / m2. Le système se compose d’un magnétron, c’est-à-dire d’un générateur de micro-ondes électromagnétique, d’un compresseur d’air, d’une alimentation électrique et d’un tube de quartz où se trouve un jet de plasma. En modulant le débit d’air et la puissance de génération des micro-ondes, la force et la pression pouvant être obtenue semble similaires à celle d’un turboréacteur actuel pour les avions commerciaux.
Pour les applications à venir, la solution du MIT prend la route des drones. À Wuhan, le défi consiste à construire un moteur de plus grande puissance. La route vers la propulsion au plasma et l’avion non polluant, quelle qu’elle soit, est officiellement ouverte.
Qu’est-ce que le plasma
Le plasma est un état de la matière très courant et constamment présent dans notre vie quotidienne, car l’activité solaire y est riche. Plus de 99% de l’Univers visible, composé d’étoiles et d’espaces interstellaires, est constitué de plasma. Même une couche importante de l’atmosphère terrestre, l’ionosphère, est caractérisée par la présence de plasma. Le plasma est le protagoniste de nombreux aspects de la recherche physique moderne et contemporaine. Un plasma est un gaz ionisé constitué d’un mélange quasi neutre d’électrons libres, d’ions (atomiques ou moléculaires) et d’espèces neutres interagissant les uns avec les autres.
Le quatrième état de la matière
Communément défini comme le quatrième état de la matière, le plasma n’est cependant pas atteint par les gaz par une transition de phase. La transition de phase au sens thermodynamique entre l’état solide, liquide et gazeux se produit en effet dans des conditions précises de pression et de température, tandis que la formation de plasma à partir d’un gaz se produit progressivement avec l’augmentation de la température.
Propulsion plasma au MIT de Boston
Le groupe de recherche du MIT sur la propulsion électrique appliquée à l’aéronautique recherche des solutions alternatives à l’utilisation actuelle des combustibles fossiles dans les avions du monde entier, extrêmement polluantes et impactantes du point de vue du changement climatique. Le domaine de recherche relatif à la propulsion plasma a permis d’aboutir à un résultat historique pour l’aviation.
L’avion sans pièces mobiles
Le projet MIT est extrêmement ambitieux et ouvre un chapitre inexploré et, selon beaucoup, impossible du vol dans l’atmosphère.
Le vol à l’état solide a montré qu’il peut fonctionner dans l’espace avec la sonde Dawn de la NASA, utilisée pour atteindre les astéroïdes Vesta et Ceres du système solaire au cours de la dernière décennie.
Vent ionique
Cependant, le prototype développé par le MIT se rend sur un territoire inexploré et apporte à la Terre, dans l’atmosphère, la possibilité de voler uniquement grâce à la création d’un vent ionique. Le vent ionique est obtenu grâce à la génération de plasma avec une forte différence de potentiel électrique et sans pièces mobiles. Le flux crée un véritable vent ionique, capable de transporter les molécules d’air avec lesquelles il entre en contact lors de la migration. Les molécules d’air sont poussées vers le profil de l’aile et permettent la réalisation d’une portance et le vol de l’avion. Avions à réaction sans combustibles fossiles.
La solution chinoise, probablement plus prometteuse
L’équipe du professeur Jau Tang d’ITS à Wuhan vise une solution complètement différente de celle du MIT de Boston. Dans ce cas, un vent ionique n’est pas créé pour soutenir le vol mais un véritable système de propulsion à réaction est obtenu, similaire en physique de vol à celui des avions à turboréacteurs actuels.
Le jet est donc la véritable clé de la technologie chinoise. En effet, la puissance obtenue, selon la publication des résultats signés par Jau Tang, Dan Ye et Jun Li dans la revue scientifique AIP Advances, est bien supérieure à celle du prototype américain.
Comparaison de la solution du MIT de Boston avec celle de Wuhan
Selon les calculs chinois, la solution MIT garantit une portance de 6 N / kW et permet d’atteindre une pression de 3 N / m2. Alors que la technologie développée à Wuhan démontre déjà un coup de pouce de 10 Newton avec 400 Watts de puissance dans le prototype, en utilisant un débit d’air de 0,5 litre / seconde. Cela correspond à une bonne force de levage de 28 N / kW, avec une pression de jet de 24 000 N / m2. Avec un débit d’air et une puissance micro-ondes plus importants, la force et la pression pouvant être obtenues sont comparables à celles d’un turboréacteur actuel pour les avions commerciaux.
Comment fonctionne le prototype de Wuhan
Le système se compose d’un magnétron, c’est-à-dire d’un générateur d’ondes électromagnétiques similaire en principe à celui des fours à micro-ondes, d’un compresseur d’air, d’une alimentation électrique et d’un tube de quartz à l’intérieur duquel le jet est développé.