L’idée d’un avion Hybride Électrique pourrait réduire les problèmes de Pollution Atmosphérique de l’Aviation
La disposition recommandée pourrait minimiser les émissions d’oxydes d’azote de 95 %, selon une toute nouvelle étude.
À l’altitude de croisière, les avions dégagent un flux constant d’oxydes d’azote dans l’environnement, où les produits chimiques peuvent s’accrocher pour créer de l’ozone et de grosses particules. Les oxydes d’azote, ou NOx, sont une source importante de contamination de l’air et sont liés à l’asthme, aux maladies respiratoires et aux problèmes cardiovasculaires. Des recherches antérieures ont montré que la génération de ces produits chimiques à cause de l’aéronautique mondiale entraîne 16 000 décès prématurés chaque année.
Actuellement, les concepteurs du MIT ont créé une idée de propulsion d’avion qui, selon eux, éliminerait 95 % des rejets de NOx des voyages aériens et réduirait ainsi de 92 % la variété des décès prématurés liés.
L’idée est inspirée des systèmes de contrôle des émissions utilisés dans les automobiles de transport terrestre. Plusieurs véhicules diesel robustes abritent aujourd’hui des systèmes de contrôle des émissions post-combustion pour réduire les NOx créés par les moteurs. Les scientifiques proposent actuellement un style similaire pour l’aéronautique, avec une touche électrique.
Les avions d’aujourd’hui sont propulsés par des moteurs à réaction ancrés sous chaque aile. Chaque moteur abrite un générateur de gaz qui alimente une hélice pour déplacer l’avion dans les airs alors que les gaz d’échappement de la turbine s’écoulent par l’arrière. En raison de cette configuration, il n’a pas été possible d’utiliser des outils de contrôle des émissions, car ils entraveraient la poussée créée par les moteurs.
Dans le nouveau style hybride-électrique, ou « turbo-électrique », la source d’alimentation d’un avion serait certainement toujours une éolienne à gaz standard ; cependant, il serait incorporé dans la soute de l’avion. Au lieu d’hélices ou de suiveurs à alimentation directe, l’éolienne à gaz entraînerait un générateur, également dans la cale, pour générer de l’énergie électrique, qui, sans aucun doute, alimenterait électriquement les hélices ou les ventilateurs montés sur les ailes et entraînés électriquement de l’avion. Les émissions créées par la turbine à gaz seraient certainement injectées directement dans un système de contrôle des émissions, généralement similaire à ceux des véhicules diesel, qui nettoierait les gaz d’échappement avant de les éjecter directement dans l’environnement.
“Ce serait toujours une difficulté de conception importante, mais il n’y a pas de limitations physiques essentielles”, explique Steven Barrett, professeur d’aéronautique et d’astronautique au MIT. “Si vous avez l’intention d’atteindre une industrie aéronautique nette zéro, c’est un moyen potentiel de résoudre la partie contamination de l’air, qui est considérable, et d’une manière techniquement plutôt pratique.”
Les informations sur le style, y compris les évaluations de son coût potentiel en carburant et ses influences sur le bien-être, sont publiées dans la revue Power and Environmental Science. Les co-auteurs de l’article sont Prakash Prashanth, Raymond Speth, Sebastian Eastham et Jayant Sabnins, tous membres du laboratoire du MIT pour l’aviation et l’environnement.
Une stratégie semi-électrifiée
Les graines de l’avion hybride électrique de l’équipe sont nées du travail de Barrett et de son groupe sur le scandale des rejets de diesel de Volkswagen. En 2015, les régulateurs environnementaux ont découvert que le fournisseur du véhicule avait délibérément manipulé des moteurs diesel pour déclencher des systèmes de contrôle des émissions embarqués juste au cours des tests en laboratoire, de sorte qu’ils semblaient remplir les critères d’échappement de NOx, mais, en fait, produisaient environ 40 fois un beaucoup plus de NOx dans des conditions de conduite réelles.
Alors qu’il considérait les impacts sur la santé de la tricherie sur les émissions, Barrett a également pris conscience des systèmes de contrôle des émissions des voitures diesel en général. À peu près à la même époque, il étudiait également l’opportunité de concevoir des avions tout électriques massifs.
» L’étude de recherche qui a été effectuée au cours des deux dernières années montre que vous pourriez probablement étonner les petits avions ; Cependant, pour les gros avions, cela n’arrivera pas de sitôt sans des avancées assez importantes dans la technologie des batteries », affirme Barrett. « J’ai donc supposé que nous pourrions peut-être prendre la partie propulsion électrique des avions électriques et des turbines à gaz qui existent depuis longtemps et sont très fiables et efficaces et intégrer cela à l’innovation de contrôle des émissions qui est utilisée dans l’automobile ainsi que l’énergie au sol, pour au moins permettre des avions semi-électrifiés.
Voler sans influence
Avant que l’électrification des avions ne soit sérieusement envisagée, il aurait pu être possible de mettre en œuvre une idée comme celle-ci, comme exemple d’un ajout à l’arrière des moteurs à réaction. Pourtant, ce style, note Barrett, « tuerait tout flux d’entraînement » qu’un moteur à réaction produirait certainement, mettant ainsi à la terre la mise en page.
Le principe de Barrett contourne cette contrainte en divisant les hélices ou les ventilateurs produisant la poussée de l’éolienne à gaz génératrice d’électricité. Les accessoires ou les suiveurs seraient certainement plutôt alimentés directement par un générateur électrique, que l’éolienne à gaz alimenterait. Les gaz d’échappement du générateur de gaz seraient introduits dans un système de contrôle des émissions, qui pourrait être replié, en accordéon, dans la soute de l’avion, entièrement isolé des hélices produisant la poussée.
Il imagine que la majeure partie du système hybride-électrique (générateur de gaz, générateur électrique et système de gestion des gaz d’échappement) s’intégrerait dans le ventre têtu d’un avion, où il peut y avoir suffisamment d’espace dans de nombreux avions d’affaires.
Dans leur tout nouvel article, les scientifiques calculent que si un tel système hybride-électrique était exécuté sur un Boeing 737 ou un avion de type A320, le poids supplémentaire aurait certainement besoin d’environ 0,6% de gaz en plus pour faire voler l’avion.
“Ce serait certainement beaucoup, souvent plus possible que ce qui a été recommandé pour les avions tout électriques”, affirme Barrett. “Cette disposition ajouterait quelques milliers de kg à un avion, par opposition à l’ajout de plusieurs lots de batteries, ce qui représenterait plus qu’un poids supplémentaire.”
Les chercheurs ont également déterminé les émissions qui seraient produites par un gros avion, avec et sans décharges qui gèrent le système, et ont découvert que la conception hybride-électrique éliminerait 95 pour cent des décharges de NOx.
Si ce système était déployé dans tous les avions du monde, ils estiment en outre que 92% des décès liés à la pollution dus à l’aéronautique seraient sans aucun doute évités. Ils sont arrivés à cette estimation en utilisant un modèle mondial pour cartographier le flux des émissions des voyages aériens avec l’environnement et ont déterminé à quel point différentes populations dans le monde seraient sans aucun doute exposées à ces gaz d’échappement. Ils ont ensuite converti ces expositions directes en mortalités ou en cotations de prix de la variété d’individus qui mourraient certainement à la suite d’une exposition directe aux rejets de voyages aériens.
Le groupe s’occupe maintenant de styles pour un avion « à impact zéro » qui vole sans produire de NOx et d’autres produits chimiques comme le co2 qui altère le climat.
“Nous devons atteindre essentiellement des impacts nets sur le climat et absolument aucun décès dû à la pollution de l’air”, déclare Barrett. « Cette conception actuelle éliminerait avec succès les problèmes de contamination de l’air de l’aéronautique. Nous nous occupons maintenant de la partie impact climatique.
Référence: “Post-combustion emissions control in aero-gas turbine engines” by Prakash Prashanth, Raymond L. Speth, Sebastian D. Eastham, Jayant S. Sabnis and Steven R. H. Barrett, 7 December 2020, Energy and Environmental Science.
DOI: 10.1039/D0EE02362K
