Dans les marécages de la Floride des années 1950, un fort vrombissement venait parfois troubler la sérénité des alligators locaux. Dans le plus grand secret, les ingénieurs de Pratt & Whitney, une société aérospatiale, testaient un nouveau type de moteur alimenté par une substance étrange provenant apparemment d’une usine d’engrais située dans la ville voisine d’Apix. En réalité, la ville n’est qu’un nom sur une carte et l’usine d’engrais est une ruse pour tromper les Russes. Les perturbations sont le résultat du projet Suntan, une tentative de l’armée de l’air américaine de construire un avion fonctionnant à l’hydrogène. Cela a failli marcher. Les moteurs ont fonctionné avec succès, mais le stockage et la fourniture de l’hydrogène lui-même se sont avérés trop coûteux pour que la production se poursuive.
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Suntan n’était que la première d’une série de tentatives ratées d’utiliser l’hydrogène pour alimenter un vol plus lourd que l’air. L’attrait est grand. L’hydrogène fournit trois fois plus d’énergie par kilogramme que le kérosène, le carburant standard actuel de l’aviation, et la légèreté est une priorité en altitude. Tupolev, dans ce qui était alors l’Union soviétique, a essayé dans les années 1980. Boeing a essayé dans les années 2000. Un petit démonstrateur a volé en Allemagne. Mais rien n’a, pour ainsi dire, vraiment décollé. L’hydrogène, bien que léger, est encombrant, ce qui le rend difficile à stocker à bord. Il doit être soit pressurisé, soit liquéfié, ce qui entraîne des complications. En plus de cela, il n’y a pas d’infrastructure établie pour le fabriquer et le distribuer.
Cette fois, c’est différent
Mais maintenant, les choses ont changé. L’aviation est sous pression pour réduire les émissions de dioxyde de carbone en brûlant moins de kérosène. Et les discussions sur la construction d’une infrastructure de fabrication et de distribution d’hydrogène à d’autres fins, comme le chauffage et le transport terrestre, deviennent sérieuses, ce qui signifie que l’hydrogène pourrait devenir un produit de base, plutôt que d’avoir à être fabriqué spécialement. L’équilibre des avantages pourrait donc être en train de changer. Ainsi, quelques âmes courageuses se penchent à nouveau sur l’idée d’un vol à l’hydrogène.
Le projet Suntan a utilisé le produit de la même manière que le kérosène – pour créer la chaleur nécessaire à l’alimentation d’un moteur à réaction. C’est une façon de progresser. Mais de nombreux avions sont entraînés par des hélices, ce qui permet une deuxième approche, car les hélices peuvent être tournées par des moteurs électriques. En utilisant des piles à combustible, une technologie du 19e siècle qui est en train de s’imposer, il est possible de produire l’électricité nécessaire à cette fin avec de l’hydrogène.
C’est l’approche adoptée par ZeroAvia, une entreprise basée à Cranfield, dans le sud de la Grande-Bretagne. En septembre, les ingénieurs de ZeroAvia ont dévoilé un avion à six places alimenté par une pile à combustible, capable de décoller, d’effectuer deux circuits de l’aéroport et d’atterrir. L’avion en question est un Piper M-class modifié – un avion à une hélice qui est normalement entraîné par un moteur à piston. Les ingénieurs l’ont remplacé par un moteur électrique et ont installé une banque de piles à combustible pour alimenter ce moteur et un ensemble de réservoirs pour contenir l’hydrogène qui fait fonctionner les piles à combustible.
Val Miftakhov, le patron de ZeroAvia, espère voir ce démonstrateur effectuer un voyage de 400 km, provisoirement prévu pour la semaine du 21 décembre, suivi d’un vol plus long depuis les Orcades, un archipel situé au large de la pointe nord de la Grande-Bretagne, au printemps prochain. (Les autorités des Orcades s’intéressent aux avions « hopper » qui peuvent relier les îles de l’archipel). L’entreprise prévoit également qu’un démonstrateur de 20 places sera prêt en 2021. La certification pour un usage commercial pourrait suivre en 2023.
Sur les talons de ZeroAvia se trouve H2Fly, une spin-off du DLR, le centre de recherche aéronautique allemand. En 2016, cette entreprise a ajouté des piles à combustible à un planeur Pipistrel motorisé, qui est ensuite resté en l’air pendant 15 minutes. L’objectif est d’étendre cette approche à un avion à hélice de série lors de tests qui seront menés prochainement. Pendant ce temps, en Amérique, un fabricant de moteurs électriques appelé magniX a annoncé un partenariat avec Universal Hydrogen, une entreprise de Los Angeles, pour convertir un Dash 8-300 de Havilland Canada de 40 places afin qu’il fonctionne avec des piles à combustible. Cela, espèrent-ils, sera prêt d’ici 2025.
Ces approches semblent susceptibles de fonctionner en principe. Elles devront cependant concurrencer dans la pratique les avions électriques alimentés par des batteries. En mai, une entreprise américaine appelée AeroTEC a fait voler un Cessna Caravan de neuf places converti à l’alimentation par batterie dans le ciel de l’État de Washington. En décembre dernier, magniX a collaboré avec Harbour Air, une entreprise canadienne, pour faire voler un hydravion de Havilland converti en Colombie-Britannique. Les deux entreprises sont maintenant occupées à préparer cet avion pour la certification commerciale. De manière plus ambitieuse, plusieurs entreprises, comme Eviation, une entité israélienne, tentent de construire des avions à batteries à partir de zéro plutôt que de convertir des cellules existantes.
Batteries non incluses
Les partisans des piles à combustible affirment cependant que celles-ci sont meilleures que les batteries pour alimenter le vol, car les piles plus leur carburant associé stockent plusieurs fois plus d’énergie par kilogramme que les batteries ne peuvent gérer. « Les batteries vous donnent vraiment l’accélération. Mais elles ne vous donneront pas l’autonomie », déclare Robert Steinberger-Wilckens, ingénieur chimiste à l’université de Birmingham, en Grande-Bretagne. La technologie des batteries s’améliore, mais de grandes avancées seront nécessaires avant que des voyages plus longs avec des passagers et du fret à bord deviennent possibles.
Coller des sources d’énergie électrique dans un avion existant, que ce soit sous la forme de batteries ou de piles à combustible, est un début. Mais une telle propulsion pourrait conduire à des remaniements importants, comme celui qu’Eviation prévoit pour son produit putatif, Alice. Celui-ci possède trois hélices, toutes orientées vers l’arrière. Bien qu’autrefois populaires, les hélices orientées vers l’arrière ne sont plus à la mode depuis des décennies. Les avions électriques à décollage et atterrissage verticaux – des drones transportant des personnes et parfois présentés comme l’avenir du transport personnel – sont également souvent alimentés par de multiples moteurs électriques plus petits, ce qui les rend compatibles avec l’alimentation en hydrogène basée sur les piles à combustible.
Les plus grosses machines ont de plus gros problèmes. Il faut beaucoup plus d’énergie à un avion pour décoller et atterrir que pour voler en croisière, et ni les batteries ni les piles à combustible n’ont encore la puissance nécessaire pour le faire autrement que pour les petits avions. Si l’on veut que les plus gros soient alimentés à l’hydrogène, il faudra, au moins en partie, reprendre la route du projet Suntan et employer des moteurs à turbine qui brûlent la substance sous forme de gaz.
Cette approche est maintenant adoptée par Airbus, une entreprise européenne qui partage avec l’américain Boeing un duopole sur les gros avions de passagers. En septembre, Airbus a dévoilé ZEROe, un projet centré sur trois avions concepts fonctionnant à l’hydrogène. Bien qu’il s’agisse de modèles court-courriers monocouloirs, ils constituent un pas en avant par rapport à tout ce qui pourrait être alimenté uniquement par des piles à combustible.
Tous les trois sont conçus pour coupler les deux technologies basées sur l’hydrogène, avec des moteurs à turbine brûlant de l’hydrogène pour le décollage et des piles à combustible pour la croisière. L’un des concepts est un turbopropulseur qui transporterait jusqu’à 100 passagers sur des distances allant jusqu’à 2 000 km. Une version plus grande à turbosoufflante permettrait de transporter deux fois cette charge deux fois plus loin. La troisième approche est plus expérimentale : un modèle à « aile mixte », dans lequel le fuselage et les ailes font partie de la même structure aérodynamique triangulaire. L’avantage de cette approche est qu’elle crée un volume supplémentaire pour le stockage de l’hydrogène.
Les défis de l’utilisation de l’hydrogène vont toutefois au-delà de la forme du corps. La reconception d’un moteur à turbine pour fonctionner avec cet élément sera une entreprise de plusieurs milliards de dollars. L’hydrogène brûle plus vite que le kérosène, et brûle aussi plus chaud. Cela signifie que les matériaux exposés à sa combustion subissent des contraintes plus importantes. Il risque également d’augmenter la pollution générée sous forme d’oxydes d’azote, ce qui annulerait en partie les avantages environnementaux de la combustion de l’hydrogène. Et il serait également utile d’arranger les choses pour qu’une partie de l’énergie utilisée pour comprimer ou liquéfier l’hydrogène en vue de son stockage puisse être récupérée et mise à profit.
Pendant les prochaines années, Airbus s’attachera à développer les technologies jumelles des piles à combustible et des turbines à hydrogène parallèlement à la conception de ses futurs avions. Si les essais au sol sont concluants, la société espère que des démonstrateurs en vol – que Glenn Llewellyn, vice-président d’Airbus chargé des avions à émission zéro, appelle des bancs d’essai volants – seront en service d’ici 2025. Un prototype grandeur nature suivrait d’ici la fin de la décennie, et le premier avion de ligne commercial à émissions nulles entrerait en service en 2035. On ne sait pas encore qui fournira les moteurs d’un tel avion. Mais Safran, un motoriste français qui travaille souvent avec Airbus, a confirmé qu’il envisageait l’alimentation en hydrogène pour les avions commerciaux.
Pour l’instant, Boeing n’a pas suivi. Cette répartition géographique n’est peut-être pas une coïncidence. La politique publique de l’UE est résolument verte, tout comme celle de la Grande-Bretagne, qui n’est plus membre de l’UE mais où se trouvent plusieurs installations d’Airbus. La politique de l’UE, en particulier, se traduit par des fonds réels pour la recherche pertinente via le programme Clean Sky 2 de l’union.
Aucun soutien de ce type, moral ou financier, n’a été proposé en Amérique au cours des quatre dernières années. La nouvelle administration de Joe Biden semble toutefois être d’accord avec l’Europe sur les questions environnementales. Et cette nouvelle orientation devrait, comme en Europe, s’accompagner de fonds publics. Boeing prendrait d’ailleurs un pari en laissant l’hydrogène à Airbus. Si la technologie réussit, il risquerait de perdre une partie importante de son marché – et c’est quelque chose qu’il ne peut certainement pas se permettre.■
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Cet article est paru dans la section Science &technologie de l’édition imprimée sous le titre « Si au début vous ne réussissez pas… »
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