Une astuce de fabrication avec des champs magnétiques produit une batterie qui peut se décharger assez rapidement pour décoller un avion du sol.

Des modèles moléculaires aux couleurs vives tapissent deux murs du bureau de Yet-Ming Chiang au MIT. M. Chiang, professeur de science des matériaux et entrepreneur de batteries en série, a passé une grande partie de sa carrière à étudier comment des agencements légèrement différents de ces bâtons et sphères donnent des résultats radicalement différents dans le stockage de l’énergie.

Mais lui et son collègue, Venkat Viswanathan, adoptent une approche différente pour atteindre leur prochain objectif, en modifiant non pas la composition des batteries mais l’alignement des composés qui les composent. En appliquant des forces magnétiques pour redresser le chemin tortueux sur lequel les ions lithium naviguent à travers les électrodes, les scientifiques croient qu’ils pourraient augmenter considérablement la vitesse à laquelle l’appareil décharge l’électricité.

Ce coup de puissance pourrait ouvrir une utilisation qui a longtemps échappé aux batteries : répondre aux énormes exigences d’un avion de tourisme au décollage. S’il fonctionne comme prévu, il permettrait des vols régionaux qui ne consomment pas de carburant et ne produisent pas d’émissions climatiques directes.

Viswanathan, professeur adjoint de génie mécanique à Carnegie Mellon, a lancé et dirige le projet de recherche. Lui et Chiang collaborent maintenant avec 24M, le fabricant de batteries lithium-ion Chiang co-fondé en 2010, et Zunum Aero, une start-up basée à Bothell, Washington, pour développer et tester des batteries prototypes spécialement conçues pour les besoins d’un avion hybride avancé.

Des enjeux importants

L’élimination des émissions de gaz à effet de serre des avions est l’un des défis les plus difficiles du puzzle climatique. Le transport aérien représente environ 2 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone et est l’une des sources de pollution par les gaz à effet de serre dont la croissance est la plus rapide.

Mais il n’y a pas d’alternative propre aujourd’hui pour plus qu’une infime partie des voyages en avion, parce que les batteries des voitures électriques sont encore trop chères, lourdes et mal adaptées à l’aviation.

Plus d’une douzaine d’entreprises, dont Uber, Airbus et Boeing, explorent déjà le potentiel d’électrifier de petits avions, créant l’équivalent de taxis volants pouvant parcourir environ 161 kilomètres avec une charge. On espère que ces véhicules à un ou deux passagers – dans la plupart des cas envisagés comme des avions autonomes à décollage et atterrissage verticaux – pourront raccourcir les déplacements, réduire la congestion et les émissions des véhicules. Mais cela remplacerait en grande partie les trajets en voiture pour les riches, et non les voyages en avion.

Viswanathan et Chiang visent plus haut. Le plan initial est de développer une batterie qui pourrait alimenter un avion de 12 personnes avec une autonomie de 400 miles (644 kilomètres) – assez pour faire des voyages de, disons, San Francisco à Los Angeles, ou New York à Washington. Dans une deuxième phase, ils espèrent permettre la mise en place d’un avion électrique capable de transporter 50 personnes sur la même distance.

Ces avions seraient toujours équipés d’un moteur à combustion et transporteraient du carburant. Mais le carburant se trouverait en grande partie à bord pour satisfaire à l' »exigence de réserve » de la Federal Aviation Administration des États-Unis en matière de sécurité, qui demande aux avions d’en transporter suffisamment pour atterrir à un aéroport situé à 200 milles (322 kilomètres) de la destination prévue. Pour un vol normal, les avions ne devraient pas avoir à puiser dans ce carburant.

Dans l’air

L’attrait du projet pour une startup comme Zunum est évident : plus les batteries répondent aux besoins des avions, plus le marché auquel les avions hybrides ou électriques peuvent potentiellement répondre est important.

L’année dernière, l’entreprise a annoncé son intention de livrer une ligne d’avions « hybrides à électriques » pouvant accueillir 12 passagers en 2022.

Au lancement, l’entreprise a l’intention d’offrir un avion hybride avec une turbine à gaz et deux batteries capables de voler environ 1 127 kilomètres (700 miles), ainsi qu’une version tout électrique avec trois batteries et une autonomie inférieure à 200 miles. (Contrairement aux avions que Viswanathan et Chiang ont en tête, le modèle hybride s’inspirerait beaucoup du carburant embarqué. Mais ce qui est crucial, c’est que l’avion lui-même devrait être doté d’une architecture ouverte qui permettra aux propriétaires de remplacer ces modules au fil du temps, ce qui leur permettra d’évoluer vers de meilleures batteries développées à l’avenir ou de passer du mode hybride au mode tout électrique.

Zunum a obtenu des capitaux de Boeing, de JetBlue et du Clean Energy Fund de l’État de Washington. JetSuite, une compagnie de vols nolisés basée à Dallas, a accepté d’acheter jusqu’à 100 de ces avions. D’autres entreprises en lancement, dont Eviation Aircraft et Wright Electric, travaillent également au développement de petits avions électriques pour les vols de navette.

Ce clip montre ce qui se passe lorsque des forces magnétiques sont appliquées sur des microrodes magnétiques mélangées à des matériaux d’électrodes.
GRACIEUSETÉ DU CHERCHEUR JONATHAN SANDER

Les avions sont rarement utilisés pour les déplacements régionaux, représentant moins de 1 % des déplacements de moins de 500 milles, selon le US Bureau of Transportation Statistics. Les compagnies aériennes ont évité les vols plus courts en grande partie parce que la plus grande partie du carburant est consommée au décollage, ce qui signifie que les vols plus longs sont beaucoup plus économiques. Et étant donné les coûts élevés et les tracas de l’aviation, les consommateurs optent en grande partie pour les voitures, les trains ou les bus plutôt que pour cette gamme de voyages.

Ashish Kumar, PDG de Zunum, ancien cadre chez Microsoft et Google, croit que les avions hybrides pourraient changer ces habitudes – en grande partie en réduisant le coût du carburant et, par conséquent, les tarifs. « Dans la plupart des régions du monde, on pourrait doubler les distances parcourues en avion à mesure que les gens quittent l’autoroute pour prendre l’avion plus rapidement « , dit-il.

Au fur et à mesure que les batteries s’améliorent, les avions hybrides et électriques peuvent également représenter une part beaucoup plus importante du transport aérien. D’ici 2035, Kumar s’attend à ce que les avions hybrides puissent atteindre des distances allant jusqu’à 2 414 kilomètres (1 500 milles), où le transport aérien représente 82 % des déplacements, selon le BTS.

Une batterie gourmande

Lors d’une réunion dans le bureau de Chiang début septembre, Viswanathan a souligné les défis de l’électrification de l’aviation en dressant un tableau montrant le profil de décharge d’un bloc batterie sur une trajectoire de vol. C’est un mur alpin dans les premières minutes du vol. Puis il descend de façon spectaculaire jusqu’à un plateau long et plat lorsque l’avion atteint l’altitude de croisière.

En d’autres termes, une batterie doit être capable de fournir une quantité massive de puissance au décollage et d’avoir une densité d’énergie suffisante pour tourner sur au moins des centaines de kilomètres. Mais pour fonctionner dans les limites de la physique et de l’économie de l’avion, il doit également être aussi durable et léger que possible, et capable de charger rapidement – ou du moins, comme le prévoit le plan Zunum, pouvoir être facilement remplacé par une batterie entièrement chargée entre les vols.

Viswanathan note qu’un bloc-batterie standard de type Tesla peut cocher les deux premières cases. Mais décoller, c’est comme conduire un modèle S en « mode soft » pendant quatre minutes au lieu de quelques secondes, générant une énorme quantité de chaleur.

« Cela ferait griller la batterie », dit-il.

Cela réduirait radicalement la durée de vie des batteries très coûteuses.

Ce clip montre ce qui se passe lorsque des forces magnétiques sont appliquées sur des gouttelettes magnétiques mélangées à des matériaux d’électrodes.
GRACIEUSETÉ DU CHERCHEUR JONATHAN SANDER

Pour que les batteries au lithium-ion se déchargent à un rythme suffisamment rapide pour les avions, il faut faciliter la circulation des ions et des électrons à travers la batterie, en particulier les électrodes. Une option consiste à rendre les matériaux des électrodes plus poreux ou plus minces, mais l’un ou l’autre de ces changements entraînerait un coût élevé pour la densité énergétique.

Les chercheurs explorent donc plutôt des façons de redresser les chemins de torsion à travers le carbone, les composés de cobalt et d’autres matériaux serrés dans les électrodes.

Comme dans beaucoup d’illusions magiques, le tour repose sur des aimants.

Dans un article publié en 2016 dans Nature Energy, Chiang, Jonathan Sander, chercheur au MIT, et ses collègues ont montré que le mélange de nanoparticules magnétiques dans les matériaux des électrodes et l’application d’un champ magnétique léger permettaient de créer des voies alignées à travers les électrodes.

Des tests ultérieurs ont montré que la capacité de décharge de ces électrodes, ou la vitesse à laquelle les électrons peuvent sortir de la batterie, était plus du double de celle des batteries lithium-ion classiques, sans sacrifier la densité énergétique.

« Cela ouvre une toute nouvelle voie dans ce que nous pouvons tirer des batteries pour l’aviation électrique « , a déclaré M. Chiang.

Les chercheurs travaillent actuellement avec 24M à Cambridge, Massachusetts, où Chiang est également le scientifique en chef, pour développer et tester des prototypes de batteries utilisant cette approche magnétique. Si tout se passe bien, Zunum travaillera alors avec les chercheurs pour évaluer les prototypes dans le cadre de ce qu’on appelle des tests  » oiseaux de cuivre « , où tous les systèmes électriques de l’avion sont évalués au sol. Éventuellement, ils pourraient également être testés sur des vols réels.

Juste le début

Jusqu’à ce que les batteries soient réellement créées et évaluées, il reste à voir comment cette approche fonctionnera réellement. Et même dans le meilleur des cas, il reste probablement encore des décennies avant que le champ n’électrifie plus qu’une fraction du total des milles aériens.

Richard Anderson, ingénieur en aérospatiale et directeur du centre de recherche Eagle Flight Research Center de l’Embry-Riddle Aeronautical University, souligne que les batteries sont au moins 20 fois plus lourdes que le carburant pour une quantité donnée d’énergie produite. Il est sceptique quant au fait que les compagnies qui poursuivent des vols de navette hybrides, comme Zunum, puissent trouver suffisamment de moyens pour compenser ce poids supplémentaire au cours des prochaines années. Il pense également que le secteur surestime la vitesse à laquelle les avions hybrides pourront atteindre de plus grandes distances, tout en sous-estimant les défis réglementaires auxquels ils seront confrontés.

Les chercheurs du MIT et de Carnegie eux-mêmes n’hésitent pas à dire que d’autres améliorations importantes des batteries seront encore nécessaires pour étendre la gamme des avions électriques, ce qui pourrait nécessiter un passage à des chimies entièrement différentes. De plus, les avions devront probablement être fondamentalement redessinés pour réduire la demande d’énergie, peut-être en redistribuant les moteurs ou en modifiant la forme de la carrosserie , explique M. Viswanathan.

Mais lui et Chiang travaillent à développer une capacité technique qui serait nécessaire indépendamment de toute autre avancée. Même si d’autres ingénieurs de batterie trouvent des moyens de faire voler des avions électriques à des milliers de kilomètres, ils auront quand même besoin de suffisamment d’énergie pour décoller du sol.

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