Hydrogène liquide, technologies innovantes fusionnant pour un avenir à carburant alternatif dans l’aviation
Alors que le pays évolue vers un avenir énergétique décarboné et renouvelable, les équipes de recherche, les entreprises et les agences gouvernementales explorent comment utiliser l’hydrogène liquide pour alimenter des véhicules à grande échelle comme les locomotives, les navires et les aéronefs. L’une de ces sociétés est Eternium Corporation de Novato, en Californie, qui développe actuellement un avion tout électrique multi-rôle à longue portée.
Les implications du futur avion d’Eternium représentent un changement plus important dans une industrie aéronautique explorant déjà un avenir à carburant alternatif, avec des projets similaires entrepris par des organisations comme Airbus et la NASA ces dernières années. Alors que les développements de la recherche d’Airbus et de la NASA sont spécifiquement orientés vers les avions de passagers, Eternium voit également du potentiel dans d’autres applications non passagers pour ses avions.
«L’idée est que la structure de l’avion se prête à la modularité», a déclaré Jared Semik, fondateur et PDG d’Eternium Corporation. «Ainsi, l’aspect multimodal de [the aircraft] a fini par se transformer en un soutien aérien rapproché, une suppression des incendies semi-autonome et des variantes de cargaison. »
Pour Semik, un vétéran militaire de huit ans du Corps des Marines et de l’Armée avec 24 ans d’expérience en tant que professionnel de l’aérospatiale, l’idée d’appliquer des avions semi-autonomes et alimentés à l’hydrogène liquide spécifiquement aux fins de réponse aux incendies de forêt a commencé après avoir observé le trafic aérien. de gros aéronefs d’extinction d’incendie depuis les lignes de crête du nord de la Californie.
«Il est bien connu dans l’industrie à quel point il est dangereux pour les pilotes, le personnel navigant et le personnel au sol de lutter contre les incendies», a déclaré Semik. «Si l’un des [planes] s’est écrasé, il pourrait également devenir un accélérateur de l’incendie. D’après mon expérience dans le secteur de l’aviation et de l’armée, j’ai vu ce qu’il fallait pour avoir un contrôle aérien de combat, et les mêmes paradigmes s’étendent à la suppression des incendies.
En théorie, un contrôleur aérien avancé au sol se connecterait à un avion de tête semi-autonome qui cartographierait la topographie d’une zone d’incendie de forêt en utilisant des technologies avancées telles que LiDAR (Light Detection and Ranging), des capteurs infrarouges ou des images satellitaires. L’avion de tête dessinait alors une trajectoire de vol pour que d’autres aéronefs suivent et larguait des produits ignifuges sur la zone cible.
«L’infrarouge tourné vers l’avenir peut vous dire exactement où se trouvent les points chauds et où se trouve le feu par rapport à la topographie du paysage, puis vous pouvez créer un ensemble d’extinction d’incendie basé sur cela. En substance, vous emboîteriez et étaleriez plusieurs avions dans les airs derrière [the lead aircraft] et proche en formation, vous avez donc des capacités en termes de largeur d’extinction d’incendie que vous ne pouvez pas obtenir à partir d’un seul avion », a déclaré Semik.
De plus, l’utilisation d’aéronefs semi-autonomes apporterait une certaine flexibilité quant au nombre d’aéronefs nécessaires pour répondre, en fonction de la taille et des caractéristiques d’un incendie.
«Chaque avion peut fonctionner de manière autonome ou vous pouvez acheter plusieurs unités et les imbriquer, c’est donc juste une question des exigences du service d’incendie ou de l’organisation de lutte contre les incendies qui les utilise», a expliqué Semik. «Ils répondraient probablement au niveau régional, car vous n’allez pas simplement avoir une base dans un endroit précis. Vous en auriez une unité où vous pourriez dire: «D’accord, nous n’avons besoin que d’une unité parce que le feu en est à ses balbutiements. Mais quand tu as besoin de submerger [the fire] vous pourriez avoir 2, 3, 4 ou autant d’aéronefs dont vous auriez besoin parce que le ciel est vraiment la limite. »
Une stratégie de suppression des incendies avec des avions semi-autonomes présenterait un certain nombre de solutions qui pourraient faire face aux risques communs inhérents à la lutte contre les incendies de forêt depuis les airs.
«Cela supprime la mauvaise communication potentielle des contrôleurs aériens avancés sur l’état réel de l’incendie au sol», a déclaré Semik. «Idéalement, nous voulons quelque chose où nous n’avons pas à nous soucier du danger pour les pilotes et aussi, puisque nous sommes alimentés à l’hydrogène, nous n’avons pas nécessairement à nous soucier d’une explosion de carburant. L’hydrogène liquide a des caractéristiques de combustion différentes de celles des carburants pétroliers, il est donc un peu moins dangereux à cet égard. »
Cependant, pour donner vie à cette idée, Semik et son équipe ont dû commencer par une approche sol-up dans la construction de leur avion. Mais au fur et à mesure de leur phase de recherche et développement, ils ont dû régulièrement adapter et réviser leur avion pour en optimiser le potentiel.
«Ce sur quoi nous travaillons actuellement, c’est la carrosserie aérodynamique au-dessus des autres systèmes. Nous avons mis au point la majorité du système de propulsion avec notre moteur supraconducteur en instance de brevet et le système cryogénique qui lui est associé, c’est pourquoi nous avons fini par passer à l’air liquide et à l’hydrogène liquide. [fuel]», A déclaré Semik. «À l’origine, nous avions un système d’azote liquide, puis de l’hydrogène comprimé avant de passer à l’hydrogène liquide.»
Semik se réfère au moteur supraconducteur comme la pierre angulaire de l’avion, étant sa plus grande technologie en instance de brevet. En raison de ce moteur à densité de couple extrêmement élevée, il capitalise sur le besoin critique d’un avion électrique pour une énergie et une densité d’utilisation maximales, sans être embourbé par sa propre taille et son poids.
«Le problème dans l’aviation est le fait que nous sommes dépendants de la masse et que nous avons une pénalité de masse pour tout ce que vous mettez à bord de l’avion», a déclaré Semik. «Afin de créer un moteur avec un couple suffisamment élevé, la technologie des batteries est prohibitive et massive. Vous ne pouvez pas simplement jeter un tas de batteries dans un avion, mettre en marche un moteur très inefficace avec une section de ventilateur très inefficace et l’appeler un jour. Ça volera, mais ça n’ira pas très loin.
De plus, plusieurs sources d’énergie sont testées et utilisées ensemble pour le système d’alimentation global de l’avion.
«Comme nous n’avons pas beaucoup de densité d’énergie avec laquelle jouer dans les batteries, nous avons opté pour l’hydrogène liquide [fuel] pour mieux capitaliser sur la densité énergétique massique de l’hydrogène liquide et sur l’efficacité des piles à combustible. Ensuite, nous avons placé des cellules solaires à l’arséniure de gallium sur le dessus pour compléter la charge de la batterie, nous avons donc hybridé le système d’alimentation avec trois modes d’alimentation distincts: batterie de stockage, pile à combustible et solaire.
Semik estime que ce système multi-puissance, couplé au moteur supraconducteur, apportera les capacités de son avion à égalité avec les jets à base d’hydrocarbures principalement utilisés aujourd’hui.
Un élément supplémentaire, cependant, pourrait propulser ces avions à base d’hydrogène liquide avant ses homologues à hydrocarbures: rationaliser la chaîne d’approvisionnement en générant commodément son propre hydrogène liquide à proximité.
«Nous travaillons également sur un système d’électrolyse et de liquéfaction alcaline à haute température, haute pression et 100% alimenté par l’énergie solaire», a déclaré Semik. «Donc, si nous pouvons prendre cela et le modulariser dans un endroit comme un aéroport, alors nous n’aurions plus qu’à l’approvisionner en eau. [to produce liquid hydrogen]. »
Avec la capacité de produire son propre hydrogène carburant grâce à un système d’électrolyse et de liquéfaction à partir d’une source d’eau à proximité, le besoin de pétrole serait essentiellement annulé, selon Semik.
«Sauf si vous êtes au milieu du désert, l’eau est en abondance et même si vous êtes dans le désert en Arizona ou au Nevada, vous avez toujours le fleuve Colorado qui traverse beaucoup de ces États, vous avez donc toujours des sources d’eau ambiantes. . Donc, si vous ne faites que nourrir l’eau du système, la filtrer, la chauffer, l’électrolyser puis tout liquéfier en utilisant l’énergie solaire que vous obtenez en abondance dans certaines zones désertiques, vous auriez un approvisionnement en carburant pour votre avion et vous n’êtes redevable à rien.
Si le besoin de sources d’énergie pétrolière et pétrolière est annulé, les perspectives énergétiques de l’ensemble de l’industrie aéronautique pourraient évoluer.
«Nous avons vécu sur cette surabondance d’énergie pendant si longtemps parce que le pétrole est une excellente source d’énergie car il est très dense en énergie et très polyvalent», selon Semik. «Mais une fois que nous commencerons à densifier la technologie du moteur et à comprendre comment extraire plus efficacement chaque once d’énergie d’un carburant moins dense, les lignes entre un avion à base de pétrole et nos avions vont se brouiller. J’anticipe en fait une supériorité, car il y a un léger avantage avec certaines des énergies alternatives que les véhicules à base de pétrole n’ont pas.
Une fois que l’avion sera pleinement développé et capable de voler, il y aura un obstacle supplémentaire qui devra être surmonté dans le processus d’autorisation par la Federal Aviation Administration (FAA). Semik, cependant, pense que la FAA sera réceptive à son avion alimenté à l’hydrogène liquide, d’autant plus que son équipe a conçu leur avion de A à Z avec la FAA à l’esprit.
«Avec toute mon expérience dans l’aérospatiale en tant qu’ingénieur, je ne suis pas au courant des limites que la FAA impose [liquid hydrogen fuel aircraft], les seules limites sont essentiellement notre propre capacité à le concevoir. Ce n’est pas le premier processus de certification que je traverse professionnellement avec la FAA et, d’une manière générale, ils sont extrêmement équitables avec l’avènement de nouvelles réglementations et de nouvelles restrictions et spécifications des choses. Ils veulent juste savoir que c’est sûr.
Donc, avec un œil sur la façon dont ces technologies innovantes peuvent façonner l’avenir de l’aviation, Semik est confiant dans l’approche holistique et globale que son équipe a adoptée pour concevoir leurs avions.
«Nous avons eu une approche complètement holistique tout au long de ce processus, en particulier avec ce changement de paradigme à l’esprit», a déclaré Semik. «Au lieu d’essayer de prendre la technologie actuelle du commerce et de la transformer en cellules et systèmes de propulsion anciens et obsolètes, nous faisons beaucoup de progrès technologiques tout en accordant beaucoup d’attention aux relations entre les sous-systèmes afin qu’ils se prêtent à la sécurité, à la fabricabilité, à la maintenance et à la réduction des coûts. Tout cela est fondamentalement intégré à notre organisation et à notre technologie depuis le tout début. »
Par conséquent, le processus de recherche et développement que Semik et son équipe d’Eternium utilisent est évident du plus grand changement dans la réévaluation de la relation de notre société avec l’énergie. Lorsqu’on lui a demandé s’il envisage un avenir de carburant alternatif dans l’aviation, Semik affirme que c’est cette idée même qui fait avancer ce processus.
«C’est l’impulsion derrière toute cette entreprise et il ne s’agit pas seulement de carburants alternatifs pour l’environnement, mais aussi de carburants alternatifs en termes de potentiel d’autonomie individuelle. Un sous-produit intéressant de l’extraction de l’énergie ambiante dans la nature est que vous n’avez plus à être redevable à quelqu’un qui doit investir en capital pour créer du carburant pétrolier. Cela a donc des ramifications politiques, géopolitiques et financières pour les individus et ce que nous faisons ici, c’est vraiment le ramener aux fondamentaux du point de vue énergétique de ce dont un avion a besoin et à partir de là », a déclaré Semik.
En fin de compte, avec la technologie innovante maintenant disponible et la recherche et le développement en cours pour rendre possible une industrie aéronautique à hydrogène liquide, l’obstacle le plus important à l’avancement du carburant à hydrogène liquide peut surprendre certains.
« Notre plus grand obstacle, honnêtement, est la perception du public », a déclaré Semik. «Il n’y a pas beaucoup de compréhension publique de la science en ce qui concerne l’hydrogène liquide et la complexité des moteurs supraconducteurs parce que pour beaucoup de gens c’est de la science-fiction et ils ne réalisent pas à quel point la technologie est mature, même si elle n’a pas. t été encore fait dans cette capacité spécifique. Ensuite, il y a le refus de la bureaucratie politique en termes d’allocations et de règles de sécurité si elle n’en sait pas assez à ce sujet, vous allez donc constamment mener ces batailles avec la perception que c’est une chose dangereuse.
Dans l’intervalle, Semik et son équipe chez Eternium poursuivent leurs recherches et leur développement pour soutenir un avenir d’aviation à carburant alternatif dans lequel la réaction aux incendies de forêt pourrait être l’un des nombreux objectifs que leur avion peut servir.
«Nous sommes à un niveau de préparation de haute technologie dans notre système de propulsion et notre système d’alimentation et nous entrons de temps en temps dans les constructions réelles et dans nos revues de conception technique, tout ce qui entre dans une phase de test. Les capacités de passagers vont être beaucoup plus compliquées avec la FAA, car leurs réglementations sont assez extrêmes avec les passagers. Mais les variantes non-passagers, comme la variante à feu de broussailles, vous pourrez probablement les voir dans environ 3-4 ans. «
Scott King écrit sur la science et l’environnement pour l’allié. Soutenez son travail.