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Une nouvelle batterie puissante pourrait nous donner des avions électriques qui ne polluent pas
Une astuce de fabrication avec des champs magnétiques produit une batterie qui peut se décharger assez rapidement pour faire décoller un avion. 30 octobre 2018
Simon Simard
Des modèles moléculaires aux couleurs vives tapissent deux murs du bureau de Yet-Ming Chiang au MIT. Chiang, professeur de science des matériaux et entrepreneur de batteries en série, a passé une grande partie de sa carrière à étudier comment des arrangements légèrement différents de ces bâtons et sphères s'additionnent pour obtenir des résultats radicalement différents en matière de stockage d'énergie.
Mais lui et son collègue, Venkat Viswanathan , adoptent une approche différente pour atteindre leur prochain objectif, en modifiant non pas la composition des batteries mais l'alignement des composés qu'elles contiennent. En appliquant des forces magnétiques pour redresser le chemin tortueux parcouru par les ions lithium à travers les électrodes, les scientifiques pensent qu'ils pourraient augmenter considérablement la vitesse à laquelle l'appareil décharge de l'électricité.
Ce coup de puissance pourrait ouvrir une utilisation qui a longtemps échappé aux batteries : répondre aux énormes exigences d'un avion de passagers au décollage. Si cela fonctionne comme espéré, cela permettrait des vols de banlieue régionaux qui ne brûlent pas de carburant ou ne produisent pas d'émissions climatiques directes.
Viswanathan, professeur adjoint de génie mécanique à Carnegie Mellon, a lancé et dirige le projet de recherche. Lui et Chiang collaborent désormais avec 24M, le fabricant de batteries lithium-ion que Chiang a cofondé en 2010, et Zunum Aero, une startup d'avions basée à Bothell, Washington, pour développer et tester des batteries prototypes spécialement conçues pour les besoins d'un avion hybride avancé.
Venkat Viswanathan, professeur adjoint de génie mécanique à Carnegie Mellon. Avec l'aimable autorisation de l'Université Carnegie Mellon
Des enjeux élevés
L'élimination des émissions de gaz à effet de serre des avions est l'un des défis les plus difficiles du puzzle climatique. Le transport aérien représente environ 2 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone et est l'une des sources de pollution par les gaz à effet de serre qui connaît la croissance la plus rapide.
Mais il n'y a pas d'alternative propre aujourd'hui pour plus qu'un petit morceau de voyage en avion, car les batteries alimentant les voitures électriques sont encore trop chères, lourdes et autrement mal adaptées à l'aviation.
Plus d'une douzaine d'entreprises, dont Uber, Airbus et Boeing, explorent déjà le potentiel d'électrification de petits avions, créant l'équivalent de taxis volants pouvant parcourir environ 161 kilomètres avec une charge. L'espoir est que ces véhicules à un ou deux passagers - dans la plupart des cas envisagés comme des avions à décollage et atterrissage verticaux autonomes - pourraient raccourcir les trajets, réduire les embouteillages et réduire les émissions des véhicules. Mais ceux-ci remplaceraient en grande partie les trajets en voiture pour les riches, et non les voyages en avion.
Viswanathan et Chiang visent plus haut. Le plan initial est de développer une batterie qui pourrait alimenter un avion de 12 personnes avec une autonomie de 400 miles (644 kilomètres), assez pour faire des voyages de, disons, San Francisco à Los Angeles, ou de New York à Washington. Dans un second temps, ils espèrent mettre en service un avion électrique capable de transporter 50 personnes sur la même distance.
Ces avions seraient toujours équipés d'un moteur à combustion et transporteraient du carburant. Mais le carburant serait en grande partie à bord pour atteindre l'exigence de réserve de sécurité de la Federal Aviation Administration des États-Unis, qui ordonne aux avions d'en transporter suffisamment pour atterrir dans un aéroport à 200 miles (322 kilomètres) de la destination prévue. Dans un vol normal, les avions ne devraient pas avoir à puiser dans ce carburant.
Simon Simard
Aéroporté
L'attrait du projet pour une startup comme Zunum est évident : plus les batteries répondent aux besoins des avions, plus le marché que les avions hybrides ou électriques peuvent potentiellement adresser est grand.
L'année dernière, la société annoncé prévoit de livrer une gamme d'avions hybrides à électriques pouvant accueillir 12 passagers en 2022.
Au lancement, la compagnie compte proposer un avion hybride avec une turbine à gaz et deux packs de batteries capables de voler environ 700 miles (1 127 kilomètres), ainsi qu'une version tout électrique avec trois packs de batteries et une autonomie inférieure à 200 miles. . (Contrairement aux avions que Viswanathan et Chiang ont en tête, le modèle hybride tirerait fortement sur le carburant à bord.) Mais surtout, l'avion lui-même devrait présenter une architecture ouverte qui permet aux propriétaires de changer ces modules au fil du temps, permettant leur permettre de passer à de meilleures batteries développées à l'avenir ou de passer d'un fonctionnement hybride à un fonctionnement tout électrique.
Zunum a obtenu des capitaux de Boeing, JetBlue et du Clean Energy Fund de l'État de Washington. JetSuite, une compagnie de vols charter basée à Dallas, a accepté d'acheter jusqu'à 100 des avions. D'autres startups, dont Eviation Aircraft et Wright Electric, travaillent également au développement de petits avions électriques pour les vols de courte durée.
Ce clip montre ce qui se passe lorsque des forces magnétiques sont appliquées à des microtiges magnétiques mélangées à des matériaux d'électrode. Avec l'aimable autorisation du chercheur du MIT Jonathan Sander
L'avion est peu utilisé pour les déplacements régionaux, représentant moins de 1 % des déplacements de moins de 500 milles, selon le Bureau des statistiques des transports des États-Unis . Les compagnies aériennes ont évité les vols plus courts en grande partie parce que la majeure partie du carburant est brûlée au décollage, ce qui signifie que les itinéraires plus longs sont beaucoup plus économiques. Et compte tenu des coûts élevés et des tracas liés au vol, les consommateurs optent largement pour les voitures, les trains ou les bus à la place pour cette gamme de voyages.
Le directeur général de Zunum, Ashish Kumar, ancien cadre chez Microsoft et Google, pense que les avions hybrides pourraient changer ces habitudes, en grande partie en réduisant le coût du carburant et, par conséquent, les tarifs. Dans la plupart des régions du monde, vous pourriez doubler vos miles aériens intérieurs lorsque les gens quittent l'autoroute et prennent des avions plus rapides, dit-il.
Simon Simard
À mesure que les batteries s'améliorent, les avions hybrides et électriques peuvent également représenter une part beaucoup plus importante du transport aérien. D'ici 2035, Kumar s'attend à ce que les avions hybrides puissent atteindre des distances allant jusqu'à 1 500 miles (2 414 kilomètres), auquel cas les voyages en avion représentent 82% de déplacements, selon le BTS.
Une batterie gourmande
Lors d'une réunion au bureau de Chiang début septembre, Viswanathan a souligné les défis de l'électrification de l'aviation en affichant un graphique affichant le profil de décharge d'une batterie sur une trajectoire de vol. C'est une paroi alpine dans les premières minutes du vol. Ensuite, il tombe de façon spectaculaire sur un long plateau plat lorsque l'avion atteint l'altitude de croisière.
En d'autres termes, une batterie doit être capable de fournir une quantité massive de puissance au décollage et d'avoir une densité d'énergie suffisante pour parcourir au moins des centaines de kilomètres. Mais pour fonctionner dans les limites de la physique et de l'économie des avions, il doit également être aussi durable et léger que possible, et capable d'une charge rapide - ou du moins, comme le prévoit Zunum, pouvoir être facilement remplacé par une batterie complètement chargée. entre les vols.
Viswanathan note qu'une batterie standard de style Tesla peut cocher les deux premières cases. Mais le décollage reviendrait à conduire une Model S en mode ridicule pendant quatre minutes au lieu de quelques secondes, générant une énorme quantité de chaleur.
Vous feriez frire la batterie, dit-il.
Cela réduirait radicalement la durée de vie des batteries très chères.
Ce clip montre ce qui se passe lorsque des forces magnétiques sont appliquées à des gouttelettes magnétiques mélangées à des matériaux d'électrode. Avec l'aimable autorisation du chercheur du MIT Jonathan Sander
Pour que les batteries lithium-ion se déchargent à une vitesse suffisamment rapide pour les avions, il faut faciliter le passage des ions et des électrons à travers la batterie, en particulier les électrodes. Une option consiste à rendre les matériaux d'électrode plus poreux ou plus minces, mais l'un ou l'autre de ces changements entraînerait un coût élevé pour la densité d'énergie.
Au lieu de cela, les chercheurs explorent des moyens de redresser les chemins de torsion à travers du carbone, des composés de cobalt et d'autres matériaux étroitement emballés dans les électrodes.
Comme dans de nombreuses illusions magiques, l'astuce repose sur des aimants.
Dans un 2016 papier dans Énergie naturelle , Chiang, le chercheur du MIT Jonathan Sander et ses collègues ont montré que le mélange de nanoparticules magnétiques dans les matériaux d'électrode et l'application d'un champ magnétique léger aidaient à créer des voies alignées à travers les électrodes.
Des tests ultérieurs ont révélé que la capacité de décharge de ces électrodes, ou la vitesse à laquelle les électrons peuvent sortir de la batterie, était plus du double de celle des batteries lithium-ion conventionnelles, sans sacrifier la densité d'énergie.
Cela ouvre une toute nouvelle direction dans ce que nous pouvons tirer des batteries pour l'aviation électrique, a déclaré Chiang.
Les chercheurs travaillent maintenant avec 24M à Cambridge, Massachusetts, où Chiang est également scientifique en chef, pour développer et tester des batteries prototypes en utilisant cette approche magnétique. Si tout se passe bien, Zunum travaillera ensuite avec les chercheurs pour évaluer les prototypes dans ce que l'on appelle des tests d'oiseaux de cuivre, dans lesquels tous les systèmes électriques de l'avion sont évalués au sol. Finalement, ils pourraient également être testés en vol réel.
Simon Simard
Juste le début
Jusqu'à ce que les batteries soient réellement créées et évaluées, il reste à voir dans quelle mesure cette approche fonctionnera vraiment. Et même dans le meilleur des cas, le champ est encore probablement à des décennies de l'électrification de plus d'une fraction du total des miles aériens.
Richard Anderson, ingénieur en aérospatiale et directeur du Eagle Flight Research Center de l'Embry-Riddle Aeronautical University, souligne que les batteries sont au moins 20 fois plus lourdes que le carburant pour une quantité d'énergie donnée. Il est sceptique quant au fait que les entreprises qui poursuivent des vols de banlieue hybrides, comme Zunum, puissent trouver suffisamment de moyens pour compenser ce poids supplémentaire au cours des prochaines années. Il pense également que le domaine surestime la rapidité avec laquelle les avions hybrides pourront atteindre de plus longues distances, tout en sous-estimant les défis réglementaires auxquels ils seront confrontés.
Les chercheurs du MIT et de Carnegie eux-mêmes s'empressent de dire que d'autres améliorations importantes de la batterie seront encore nécessaires pour étendre la gamme des avions électriques, ce qui peut nécessiter un passage à des chimies entièrement différentes. En plus de cela, les avions devront probablement être fondamentalement repensés pour réduire les demandes d'énergie, potentiellement en redistribuant les moteurs ou en modifiant la forme du corps pour réduire la traînée, explique Viswanathan.
Mais lui et Chiang travaillent pour développer une capacité technique qui serait nécessaire indépendamment de toute autre avancée. Même si d'autres ingénieurs de batterie trouvent des moyens de faire voler des avions électriques sur des milliers de kilomètres, ils auront toujours besoin de suffisamment de puissance pour décoller.
Cet article a été mis à jour pour clarifier les rôles des chercheurs.