La supraconductivité, un sujet brûlant pour Airbus ! L’application de ce phénomène physique, cantonnée jusqu’à présent aux laboratoires et à quelques usages industriels restreints dans le ferroviaire, l’énergie et la santé, pourrait bien un jour trouver sa place dans les futurs programmes de l’avionneur. Celui-ci a annoncé, lundi 29 mars, le lancement d’un démonstrateur au sol, dénommé Ascend, visant à explorer pendant trois ans l’intérêt de mettre en œuvre la supraconductivité. Elle pourrait contribuer à réduire l’empreinte carbone des avions.
Comment expliquer l’étonnante marque d’intérêt d’Airbus pour une voie si exotique dans le secteur aéronautique, impliquant des systèmes cryogéniques ?
Réponse : l’industriel lorgne l’absence de résistance électrique qui caractérise les matériaux supraconducteurs à basse température car elle pourrait favoriser l’électrification des aéronefs, qu’ils soient hybrides ou tout électriques. Au-delà de l’enjeu du stockage de l’énergie limité par les capacités des batteries, l’usage croissant de l’énergie électrique pour la propulsion se heurte aux fortes puissances nécessaires : les besoins pour des appareils tout électriques s’élèvent à quelques centaines de kW pour un petit engin type taxi volant et à 10 MW pour un long-courrier.
Des gains de performances significatifs
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Des niveaux qui feraient notamment s’envoler la masse des câbles embarqués, leurs dimensions devant être augmentées pour améliorer leur résistance. D’autant que la démultiplication du nombre de moteurs dans certains projets d’avions promet de faire exploser les longueurs de câbles nécessaires… Et ce n’est pas tout : ces fortes puissances génèrent aussi de nombreux phénomènes physiques intempestifs, tels que des échauffements par effet Joule et des arcs électriques, qui tendent à diminuer les performances du système.
"La supraconductivité appliquée au système propulsif pourrait amener des gains de masse d’au moins 50%", espère Ludovic Ybanez, ex-Safran et responsable du projet de démonstrateur Ascend. Alors que les réductions de pertes d’énergie pourraient être du même ordre de grandeur, le voltage pourrait quant à lui ne pas dépasser la barre des 300 ou 400 volts, limitant ainsi les phénomènes physiques contraignants notamment au niveau des composants électroniques. Ascend, pour "Advanced Superconducting and Cryogenic Experimental powertraiN Demonstrator", va permettre de déterminer quels seront les réglages optimums, des petits aéronefs type taxi volant aux long-courriers en passant par les turbopropulseurs.
"On espère in fine augmenter l’efficacité du rendement de la chaîne propulsive entre 5 et 6%", s’enthousiasme Ludovic Ybanez. Et de préciser qu’une équipe ad hoc d’une quinzaine d’experts européens est en cours de constitution pour travailler sur ce démonstrateur basé sur le site allemand du groupe à Ottobrunn, près de Munich. Airbus UpNext, la filiale d’Airbus à l’affût des nouvelles technologies qui pilote Ascend, ne compte pas non plus faire cavalier seul sur un terrain de jeu aussi éloigné de son cœur de métier : des partenariats avec des industriels et des laboratoires seront sans doute annoncés dans les prochains mois. Des discussions ont lieu avec des motoristes, comme Safran et Rolls-Royce.
Une somme de compromis
Sur le papier, l’idée d’utiliser la supraconductivité est séduisante. Mais encore faut-il qu’elle prouve sa pertinence dans un milieu aussi spécifique et réglementé qu’un avion. Point le plus épineux : qui dit matériaux supraconducteurs dit basse température. D’où la mise en œuvre dans le démonstrateur d’un système cryogénique capable de refroidir entre 30 Kelvin (-243°C) et 120 K (-153°C). Les experts d’Ascend vont à la fois étudier la possibilité de bénéficier de l’apport de l’hydrogène liquide (-253°C) pour atteindre ces températures, envisagé par Airbus dans ses projets ZEROe, mais également les scénarios hors hydrogène, qui mettraient alors en jeu des gaz neutres tels que l’azote, le néon et l’hélium.
Un refroidissement qui concerne notamment les câbles électriques. "L’enjeu sera de développer une gaine refroidissante autour des câbles mais qui soit également flexible et sûre", précise Ludovic Ybanez. Les câbles supraconducteurs seront très probablement constitués de cuprates, pourraient être utilisés aux alentours de 80 et 90 K. Quant au moteur lui-même, la température optimale pourrait se situer entre 30 et 50 K. Le meilleur point de fonctionnement va devoir également être trouvé pour l’électronique de puissance, qui va rester basée sur l’utilisation des semi-conducteurs. "Nous devrons arriver à une somme de compromis, entre les performances des différents éléments et les températures de refroidissement", résume Ludovic Ybanez.
