Des ingénieurs en aéronautique ont réussi à construire et à faire voler un modèle réduit d’avion plus lourd que l’air qui ne contient aucune pièce mobile et ne produit aucune émission.

Le modèle, qui a une envergure de 5 mètres, utilise un système de propulsion à moteur ionique ou électroaérodynamique, qui crée la poussée en utilisant des forces électriques pour accélérer les ions dans un fluide afin de former un vent ionique, la poussée n’est produite que par le vent généré par le mouvement des molécules d’air ionisées lorsque le courant passe entre deux électrodes, l’une plus mince que l’autre. L’avion a été construit par une équipe dirigée par Haofeng Xu du Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux Etats-Unis, et il est décrit dans une étude publiée cette semaine (lien plus bas).

À l’exception des planeurs non motorisés, tous les aéronefs conçus jusqu’à présent ont besoin d’un système de propulsion mécanique comprenant des pièces mobiles, généralement des turbines ou des hélices et (à l’exception de quelques modèles très anciens à pédales) des combustibles fossiles.

L’électroaérodynamique, le système à base d’ions utilisé par Xu et ses collègues, a longtemps été présenté comme une alternative, mais la physique impliquée s’est avérée extrêmement complexe. Le cœur du problème est que la poussée délivrée par un moteur électroaérodynamique est fortement influencée par la vitesse, la densité de l’air et donc l’altitude. Une analyse publiée en 2017 a révélé que le rapport poussé/ puissance d’un avion électroaérodynamique diminuerait d’environ 80 % lorsque le véhicule passerait du sol à 25 kilomètres de hauteur. Cependant, les auteurs de l’étude, Christopher Gilmore et Steven Barrett (qui sont également coauteurs de la publication de Xu), ont constaté que certains ajustements de conception pourraient être utilisés pour réduire la chute. Selon eux, l’augmentation de la taille du propulseur compenserait la perte d’altitude.

Ils ont également noté que :

La poussée en puissance devrait également diminuer avec l’augmentation de la vitesse en avant d’un avion propulsé électroaérodynamiquement en raison d’une augmentation de la mobilité effective des ions générés par le système de propulsion.

Toutefois, cela permettrait d’accroître l’efficacité globale à mesure que la vitesse s’accélérerait. En dernière analyse, Gilmore et Barrett ont conclu qu’un propulseur électroaérodynamique pouvait être conçu pour fournir un équilibre poussée/puissance comparable à celui des moteurs à hélice et à turbine.

Plan global de l’avion du MIT propulsé par vent ionique (MIT)

Comme tous les travaux sur les moteurs ioniques d’avions, l’étude de 2017 était théorique. Jusqu’aux travaux les plus récents, personne n’avait encore construit de véhicule en état de marche.

On peut dire qu’ils ne l’ont toujours pas fait. Le modèle construit et piloté par Xu et ses collègues est grand, mais pas assez grand pour transporter une personne. Les chercheurs ont également effectué leurs vols d’essai dans un bâtiment fermé, c’est-à-dire exempt de vents de travers ou de face qui réduisent la consommation d’énergie, et à moins de deux mètres du sol. Néanmoins, selon les chercheurs, les résultats sont significatifs. Transportant une batterie ultra-légère de 40 kilovolts spécialement conçue à bord, l’avion d’essai a volé 10 fois de suite.

Selon les chercheurs :

Nous montrons que les limites conventionnellement acceptées du rapport poussé/puissance et de la densité de poussée, qui étaient auparavant considérées comme rendant l’électroaérodynamique impossible comme méthode de propulsion de l’avion, peuvent être surmontées.

Nous fournissons une preuve de concept pour la propulsion électroaérodynamique des avions, ouvrant des possibilités pour des avions et des dispositifs aérodynamiques plus silencieux, mécaniquement plus simples et n’émettant pas d’émissions de combustion.

Dans un éditorial associé dans la même revue, Franck Plouraboué de l’université de Toulouse (France) rappelle que la théorie de l’électroaérodynamique est connue depuis plus d’un siècle :

Lorsque les molécules chargées dans l’air sont soumises à un champ électrique, elles sont accélérées. Et quand ces molécules chargées entrent en collision avec des molécules neutres, elles transfèrent une partie de leur élan, conduisant à un mouvement d’air connu sous le nom de vent ionique.

Il décrit le travail de l’équipe de Xu comme une « percée » et souligne en particulier la conception d’un fil fin qui, lorsqu’il est exposé à un champ électrique, est appelé un « émetteur ».

Dans l’avion des auteurs, un champ électrique (non illustré) est appliqué à la région entourant un fil fin appelé l’émetteur (illustré en coupe). Le champ induit des cascades d’électrons, où des électrons libres entrent en collision avec des molécules d’air (non représentées dans les cascades) et libèrent ainsi davantage d’électrons. Ce processus produit des molécules d’air chargées à proximité de l’émetteur – une décharge corona. Selon le champ électrique, les molécules chargées négativement ou positivement s’éloignent de l’émetteur (flèches rouges). Ces molécules entrent en collision avec des molécules d’air neutres, générant un vent ionique (flèches noires). b, L’avion utilise une série d’émetteurs et de dispositifs appelés collecteurs, dont la direction longitudinale est perpendiculaire au vent ionique. Le flux des molécules d’air chargées se produit principalement le long des directions (flèches rouges) reliant les émetteurs et les collecteurs. Par conséquent, le vent ionique est accéléré (flèches noires) principalement dans ces régions. (Nature)

Selon Franck Plouraboué :

Le champ est suffisamment puissant pour provoquer une réaction en chaîne : les électrons libres de la région entrent en collision avec les molécules d’air pour les ioniser, produisant plus d’électrons qui ionisent ensuite plus de molécules.

Ces cascades d’électrons donnent naissance à des molécules d’air chargées à proximité de l’émetteur – un phénomène appelé effet corona. Enfin, les molécules chargées s’éloignent de l’émetteur et génèrent un vent ionique propulsif lorsqu’elles sont accélérées par le champ électrique vers un dispositif appelé collecteur.

La recherche visant à affiner et à améliorer la conception, conclut-il, peut maintenant commencer.

L’étude publiée dans Nature : Flight of an aeroplane with solid-state propulsion et l’éditorial de Franck Plouraboué : Flying with ionic wind.