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A l'heure où le transport aérien mondial connaît une très forte croissance, notamment sur la zone Asie-Pacifique, l'industrie aéronautique s'est fixée des objectifs ambitieux en matière de protection de l'environnement. Ces objectifs ont été définis dans une feuille de route de la Commission Européenne visant, entre autres, à réduire à l'horizon 2050, 75% des émissions de CO2 et 65% des nuisances sonores dues au transport aérien par rapport à l'an 2000. C'est dans ce cadre qu'Innovation Works, le réseau Recherche & Technologie du Groupe EADS, a développé le concept de transport écologique « VoltAir », véhicule aérien tout électrique.

Même si VoltAir n'est aujourd'hui qu'un concept de recherche amont encore loin d'une phase de vol opérationnelle, qui pourrait intervenir d'ici 25 ans de commercialisation, il préfigure bel et bien les avions du futur qui adopteront des systèmes de propulsion sans émission.

1. Quels sont les principaux enjeux technologiques de VoltAir ?

Les défis technologiques que doit relever la conception d'un avion zéro émission sont principalement de 3 ordres. Le premier concerne les batteries et le stockage de l'énergie, car faire voler un véhicule aérien requiert une énergie très importante pendant toute la durée du vol. Le deuxième défi est celui de la motorisation, avec la nécessité de développer une nouvelle génération de moteurs électriques disposant d'une densité de puissance comparable aux propulsions actuelles (autour de 7 kw/kg). Le troisième et dernier défi est celui de la structure de l'avion, de son poids et de son aérodynamisme afin de limiter les besoins énergétiques de ce dernier, tout en assurant un confort de vol maximal et une diminution des nuisances sonores.

2. Comment stocker l'énergie nécessaire au fonctionnement de VoltAir ?

Au cours de la dernière décennie, les performances des batteries à haute densité énergétique ont connu des avancées spectaculaires, stimulées par la forte demande de l'industrie automobile via l'utilisation croissante de véhicules hybrides ou électriques. Cependant, les technologies actuelles ne sauraient répondre aux besoins nécessaires au fonctionnement d'un avion de ligne zéro émission. Les recherches se portent donc aujourd'hui sur l'intégration de nouveaux matériaux visant à multiplier par plus de deux, d'ici une vingtaine d'années, les performances des batteries actuelles les plus sophistiquées, permettant ainsi d'atteindre des densités énergétiques supérieures à 1000 Wh/kg. Pour ce faire, la technologie lithium-air apparaît la plus prometteuse car elle permet de stocker beaucoup plus d'énergie à poids égal que les batteries lithium-ion utilisées à présent, et répond ainsi aux exigences du concept VoltAir.

Par ailleurs, afin de limiter les temps d'intervention et de réduire le poids de l'appareil, ces batteries sont intégrées dans des conteneurs remplaçables installés dans la partie inférieure du fuselage. Ceci facilite le remplacement des batteries épuisées dans les aéroports, selon un processus similaire aux conteneurs à bagages. La recharge et la maintenance des batteries seront donc effectuées hors de l'avion, ce qui permet de réduire considérablement le poids et la complexité du système de batteries embarqué.

3. Quels types de moteurs électriques peuvent être capables de faire voler VoltAir ?

Disposer de la motorisation adéquate constitue en soi un deuxième défi technologique car c'est cette propulsion entièrement électrique qui permettra un niveau sonore extrêmement bas et l'arrêt des émissions de dioxyde de carbone (CO2) et oxyde d'azote (NOx). L'équation est simple : ces moteurs électriques couplés à des hélices devront fournir une puissance suffisante avec des rapports poids/puissance au moins égaux aux turbomoteurs actuels. Il s'agit pour cela de limiter au maximum la perte d'électricité et donc d'énergie entre les batteries et le moteur et dans le fonctionnement du moteur lui-même afin de viser un rendement optimal.

La solution technologique réside dans l'utilisation de câbles et de moteurs supraconducteurs. La supraconduction est un phénomène qui apparaît chez certains matériaux refroidis à des températures très basses (inférieures à -183°C) et qui leur permet de disposer d'une résistance électrique proche de zéro. Le recours à ce type de matériaux autorise le développement de moteurs électriques générant une puissance et un couple beaucoup plus importants avec des câbles plus fins et à une taille et un poids réduits. Le système de refroidissement servant à générer des températures supraconductrices utilisera de l'azote liquide afin d'en limiter les coûts et de respecter l'environnement.

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4. Quelles sont les autres particularités de VoltAir ?

La performance d'une propulsion électrique dépend de sa consommation énergétique et du poids du système de batterie, qui est structurellement plus lourd que le volume équivalent de kérosène. Or, plus l'avion sera lourd, plus ses performances seront diminuées.

VoltAir exige donc une structure extrêmement légère avec des dispositions aérodynamiques excellentes (réduction de la traînée).

Pour réduire le poids de l'appareil, VoltAir intégrera principalement des matériaux composites avancés à base de carbone. En parallèle, la répartition de son poids sera également optimisée. En effet, contrairement au kérosène qui, brûlé en vol, modifie la répartition des poids dans les avions classiques, le poids des batteries est fixe, permettant une optimisation de la répartition des masses au service du comportement de l'appareil, de sa consommation d'énergie et de son aérodynamisme. Ainsi, le moteur est situé à l'arrière de l'appareil tandis que les trains d'atterrissage sont intégrés dans un fuselage de grand volume, permettant de disposer d'ailes plus fines générant moins de traînée. Le système de propulsion à hélices contrarotatives est également caréné et dimensionné afin d'optimiser l'efficacité propulsive de l'appareil. Enfin, l'optimisation aérodynamique du fuselage diminue considérablement les niveaux sonores dus aux flux d'air circulant le long du revêtement.

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