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Nouveaux matériaux herculéens
Les ailes d'avion ou les rotors d'hélicoptère faits de matériaux qui peuvent changer de forme en réponse aux commandes électriques ont longtemps été un rêve des ingénieurs aéronautiques. C'est une application qui améliorerait considérablement les performances et la consommation de carburant des avions. Mais le bon matériau de changement de forme pour y arriver s'est avéré insaisissable.
Maintenant, les chercheurs du MIT ont découvert une approche prometteuse qui tire parti du mécanisme qui finira par provoquer la batterie de votre ordinateur portable. échouer : l'expansion et la contraction des matériaux d'électrode dans la batterie. C'est un cas classique de prise de citrons et de fabrication de limonade, dit Yet-Ming Chiang , professeur de science et d'ingénierie des matériaux au MIT qui travaille sur le projet. Des articles décrivant le travail paraîtront dans les prochains numéros de Matériaux fonctionnels avancés et Lettres électrochimiques et à l'état solide .
Une grande partie des recherches passées sur les matériaux à morphing de forme ont impliqué des matériaux piézoélectriques, des matériaux qui changent de forme en réponse à l'électricité. Mais Chiang dit qu'il a décidé il y a longtemps que les piézoélectriques ne fonctionneraient pas pour des applications aussi rigoureuses que le morphing des rotors d'hélicoptère.
Pendant des années, les chercheurs dans le domaine connexe des batteries ont été confrontés au problème que lorsque les ions se déplacent d'une électrode à une autre, lorsque la batterie se charge, ils provoquent l'expansion du matériau de l'électrode, puis sa contraction à mesure que la batterie se décharge. Cette caractéristique peut provoquer la rupture de la structure interne de la batterie dans le temps ; les chercheurs ont donc recherché des matériaux qui ne souffrent pas de cet effet. Mais quand Chiang a calculé combien d'énergie mécanique cette expansion pourrait impliquer, il a eu un moment d'euphorie. Et des expériences ultérieures ont montré que les batteries ont l'énergie mécanique nécessaire pour déplacer une charge dix fois plus loin que les piézoélectriques.
Les performances de la batterie s'accompagnent cependant d'un compromis : la vitesse. Les piézoélectriques peuvent facilement fonctionner à plusieurs milliers de cycles par seconde, explique Chiang. Mais l'expansion de la batterie est limitée par le temps qu'il faut pour la charger. Selon la quantité de mouvement nécessaire, cela peut prendre d'un peu plus d'une minute à une fraction importante d'une heure, selon Steven Hall , professeur d'aéronautique et d'astronautique au MIT impliqué dans le projet. Les chercheurs espèrent améliorer cela en diminuant le temps nécessaire pour charger une batterie.
Chiang travaille également à la conception de batteries physiquement plus solides qui peuvent mieux tirer parti de l'énergie mécanique de l'électrode.
Mais les batteries existantes disponibles dans le commerce sont assez bonnes pour construire un modèle de démonstration, que les chercheurs espèrent avoir prêt au début de l'année prochaine. Finalement, une série de batteries sera installée dans la pale de rotor et utilisée pour la transformer de manière sélective.
Un tel changement de forme permettra aux ingénieurs d'éviter un compromis qui a été au cœur de la conception des hélicoptères. Les hélicoptères sont construits pour faire deux choses très différentes : le vol stationnaire et la croisière. En conséquence, ils ne font ni l'un ni l'autre particulièrement bien. Pouvoir changer la forme du rotor en vol pourrait les optimiser pour ces deux fonctions. Chiang et Hall calculent qu'un hélicoptère pourrait alors fonctionner avec environ un pour cent de carburant en moins, une économie qui pourrait s'accumuler considérablement avec le temps. Alternativement, les hélicoptères militaires pourraient transporter deux troupes supplémentaires ou mieux fonctionner dans les opérations à haute altitude dans les montagnes.
Les rotors pourraient aussi n'être qu'un début. Chiang et Hall évoquent des applications sur les avions, où la modification de la forme des ailes en vol pourrait apporter des améliorations similaires en termes de performances et d'efficacité. Ils pourraient également être utiles pour faire tourner activement des cellules solaires pour suivre le soleil, ou pour déployer des cellules solaires et d'autres appendices de satellites une fois qu'ils atteignent l'espace.