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Edito : Quels transports aériens pour demain ?

Il y a 105 ans, c’était le 1er janvier 1914, avait lieu le premier vol commercial, reliant par hydravion en 23 minutes, à une vitesse moyenne de 120 km/h, les villes de Tampa et St Petersburg en Floride. Le prix du billet sur ce vol était alors exhorbitant : pas moins de 400 dollars de l’époque, soit plus de 10 000 euros actuels...

Un peu plus d’un siècle plus tard, en 2017, l'ASN (Le réseau de sécurité aérien) a enregistré 36,8 millions de vols, l'équivalent de 1,16 vol chaque seconde réalisés par quelque 27.000 avions de ligne. Au cours de cette même année, la barre des 4 milliards de passagers transportés par l'aviation civile a été franchie dans le monde, ce qui veut dire que, chaque seconde, 127 passagers prennent l'avion dans un des aéroports de la planète. Sachant que les déplacements en transport aérien doublent tous les 20 ans, il devrait y avoir au moins de 40 000 avions de ligne en service - transportant 8,2 milliards de passagers - vers 2040.

Outre les problèmes de sécurité aérienne que va poser la gestion d’un tel trafic, ce développement spectaculaire des vols commerciaux risque également, sans ruptures technologiques majeures, de devenir intenable d’ici vingt ans pour deux raisons, d’abord à cause de la contribution croissante de l’aviation au réchauffement climatique et, ensuite, à cause des nuisances sonores provoqués par l’atterrissage et le décollage de ces dizaines de milliers d’avions.

On estime qu’en 2019, l’aviation civile aura été responsable d’au moins 2 % des émissions humaines de gaz à effet de serre, soit environ 0,9 gigatonne de CO2. Mais on sait, depuis une étude argumentée publiée dans Nature en mai 2018, que les traînées de condensation qui s’étirent derrière les avions à réaction accentuent bien plus qu’on ne le pensait le réchauffement climatique et contribuent, elles-aussi, pour au moins 2 % au réchauffement climatique global de la planète (Voir Nature Communications).

Certes, le secteur l'aérien s'est engagé à réduire de moitié ses émissions de CO2 d'ici à 2050 par rapport au niveau de 2005, et cette promesse vient d'être confirmée par sept des plus importants acteurs de l'industrie mondiale (Airbus, Boeing, Dassault, General Electric, Rolls-Royce, Safran et UTC). Mais malheureusement, cet engagement louable n’intègre pas le problème des traînées blanche, constituées de cristaux de glace, une lacune que les grands constructeurs vont devoir combler dans les meilleurs délais. Or, selon les meilleurs spécialistes scientifiques, pour réduire de manière significative à la fois les émissions de CO2 et ces fameuses traînées blanches, il faut que les avions cessent d’utiliser du kérozène et passent à des modes de propulsion alternatifs, hydrogène, gaz liquide, biocarburants et, à plus long terme, électricité.

Selon une étude canadienne, l’ajout de biocarburant issu d’huile de caméline au carburant conventionnel utilisé par les réacteurs d’avion réduit de 50 à 70 % le nombre et la masse des particules volatiles et non volatiles émises lors de vols en haute altitude. Les biocarburants représentent une option intéressante pour l’aviation étant donné qu’ils contiennent très peu ou pas de soufre et de composés aromatiques, contrairement aux carburants à base de pétrole.

Cette étude confirme que les émissions d’aérosols par les avions induisent la formation de cirrus, une famille de nuages qui absorbent le rayonnement solaire, ce qui contribue à accroître la température de l’atmosphère. Dans leurs travaux les chercheurs ont réussi à comparer les impacts sur l’atmosphère d’avions utilisant du carburant conventionnel, et d’appareils utilisant un composé de 50 % de biocarburant issu d’huile de caméline et de 50 % de carburant à base de pétrole, mais à faible teneur en soufre. Ces scientifiques ont ainsi pu observer que les émissions de particules volatiles, telles que des sulfates et des nitrates, et de particules non volatiles, principalement des particules de suie, qui résultaient de la combustion du mélange contenant le biocarburant, étaient réduites de 50 à 70 % par rapport à celles provenant de la combustion du carburant à base de pétrole.

Dans ce contexte, une innovation majeure sur laquelle j'aurai l’occasion de revenir plus en détail prend tout son sens : l’installation expérimentale inaugurée le 13 juin dernier à Móstoles, près de Madrid, par l’Institut IMDEA Energy, dans le cadre du projet européen Sun to Liquid, lancé en 2016, a réussi à produire du kérosène à partir d’air et de soleil. Ces scientifiques ont pu montrer la faisabilité, à un niveau industriel, d’un cycle thermochimique transformant le CO2 et l’eau extraits de l’air en hydrocarbures, ce qui permet un bilan carbone réduit de plus de 90 % par rapport à un carburant d’origine fossile.

Reste qu'à plus long terme, le transport aérien, comme son homologue terrestre, devra devenir totalement propre et neutre en carbone, ce qui suppose plusieurs révolutions technologiques, associant hydrogène et électricité. Mais, pour l’instant, si on voulait faire voler un avion comme l’A320, il faudrait embarquer 170 tonnes des batteries, ce qui n’est évidemment pas envisageable. Il faut donc que les batteries gagnent au moins un facteur dix, en termes de puissance, pour espérer voir voler de gros porteurs tout électriques. « Aujourd’hui, 1 litre de carburant équivaut en termes énergétiques à 30 kilos de batterie environ », estime Raphaël Dinelli, ancien navigateur et co-concepteur d'un projet d'avion hybride baptisé Eraole.

Or, c'est bien dans cet esprit qu'a été développé Eraole. Un engin en fibre de carbone et au design de biplan, afin d'augmenter la surface de ses ailes entièrement recouvertes de cellules solaires hautes performances. Résultat : l’électricité produite par ces cellules photovoltaïques peut couvrir jusqu'à 50 % des besoins énergétiques de l'avion lors d'un vol en plein après-midi. Le reste de l'énergie électrique est fourni par une petite centrale thermique alimentée par des biocarburants. Cette dernière s'assure en permanence, via un calculateur, que les deux batteries de l'appareil sont en permanence chargées. L’objectif affiché est à présent d’effectuer avec Eraole le premier vol transatlantique sans escale (5.000 km en 60 heures), sur le même parcours que Charles Lindbergh (entre New York et Le Bourget).

Les nombreux défis à surmonter pour concevoir et produire des avions électriques fiables et à grande autonomie ne découragent pas la Norvège, en pointe mondiale dans la mobilité électrique. Ce pays vient en effet d’annoncer que tous les vols intérieurs norvégiens devraient être assurés, d'ici 2040, par des avions 100 % électriques. L'opérateur public Avinor, qui contrôle les aéroports du pays, « vise à être le premier opérateur au monde » à réussir à imposer ces standards aux compagnies. Pour parvenir à cet objectif, Avinor veut progressivement réduire le nombre de ses appareils conventionnels, en commençant par ceux assurant des liaisons de moins d’une heure et demie. A ce niveau, la mesure concerne tous les avions volant en Norvège et même ceux assurant des liaisons vers les capitales scandinaves. Avinor va lancer un appel à candidature pour tester d’ici 2025 une ligne commerciale avec un petit avion électrique de 19 places.

Il y a quelques semaines, une Start-up américaine, Ampaire, a fait voler pour la première fois pendant quelques minutes son avion-prototype, un Cessna 337 Skymaster modifié, depuis l'aéroport de Camarillo (Californie). Rebaptisé Ampaire 337, ce bimoteur est, selon Ampaire, "l'avion hybride-électrique de plus grande capacité ayant jamais volé". Le bimoteur associe un moteur à combustion classique dans le nez et un moteur électrique dans la queue, alimenté par des batteries légères. Ampaire va poursuivre ses essais dans la région de Los Angeles dans les prochains mois, et souhaite lancer dès fin 2019 un projet pilote sur une route commerciale sur l'île hawaïenne de Maui, avec un prototype de pré-production, en partenariat avec la compagnie Mokulele. La société vise en priorité ce type de compagnies aériennes régionales, qui desservent souvent des communautés éloignées et des régions insulaires avec des vols court-courrier.

La start-up américaine partenaire d’easyJet, Wright Electric, travaille, quant à elle, sur un moteur électrique pouvant convenir à un appareil neuf places qui devrait commencer à voler en 2020. Wright Electric a d’ailleurs déposé un brevet pour un moteur adapté à de plus gros avions qui ouvre la voie à une transition vers un appareil commercial complètement électrique et capable de transporter des passagers. « La distance que nous ciblons avec l’avion électrique est d’environ 500 kilomètres et, en se basant sur notre réseau actuel, la liaison Amsterdam-Londres pourrait devenir la première ligne 100 % électrique » explique Johan Lundgren, PDG d’easyJet.

Le projet de Wright Electric se décline en plusieurs phases : d’abord des essais d’une version à 50 places, avant de passer sur une version de 180 places à l’horizon 2030. Cette dernière version aurait donc une autonomie de 500km et réduirait la facture d’énergie du transporteur de 30 %.

D’autres entreprises et alliances industrielles travaillent sur la mise au point d’un avion de ligne électrique. Le constructeur américain Boeing, dans le cadre du projet Zunum, projette d’utiliser une turbine de Safran pour alimenter un moteur électrique hybride, alors qu’outre-Rhin l’allemand Siemens développe en collaboration avec Airbus des moteurs 100 % électrique pour l’aviation.

En octobre 2018, la NASA a, pour sa part, annoncé qu’elle travaillait sur la mise au point d’un gros porteur totalement électrique, alimenté par de l’hydrogène sous forme de liquide cryogénique. Ce projet, s’il aboutit, pourrait changer à jamais le domaine de l’aviation (Voir Phys.Org). Actuellement, les cellules d’hydrogène n’ont pas la densité d’énergie nécessaire pour alimenter un avion sans l’alourdir. Mais en progressant dans les technologies de refroidissement cryogénique de l’hydrogène, les chercheurs sont persuadés qu’ils peuvent parvenir à créer des piles à combustible assez compactes et puissantes pour alimenter un avion long-courrier.

Mais en attendant qu’une rupture technique majeure ne permettre la fabrication d’avions à hydrogène, la technologie hybride pourrait permettre, comme cela est le cas dans le secteur automobile, d’engager rapidement une transition énergétique et écologique vertueuse dans le secteur aérien. Dans cette perspective, Airbus a signé, il y a quelques semaines un protocole d’accord avec la compagnie aérienne SAS Scandinavian Airlines concernant la recherche sur les écosystèmes et les infrastructures des avions hybrides et électriques.

Dans le cadre de ce protocole, Airbus et la compagnie scandinave collaboreront dans le cadre d’un projet de recherche commun visant à « améliorer la compréhension des opportunités et des défis opérationnels et infrastructurels liés à l’introduction à grande échelle d’avions hybrides et entièrement électriques dans les modus operandi des compagnies aériennes ». La portée du projet comprend cinq axes de travaux, qui se concentrent sur l’analyse de l’impact des infrastructures au sol et la tarification sur le rayon d’action, les ressources, le temps et la disponibilité dans les aéroports.

Airbus rappelle que, grâce à de multiples avancées techniques, les avions actuels ont une consommation de carburant par kilomètre inférieure de 80 % à celle des aéronefs des années 70. Mais, si l’on table sur l’hypothèse probable d’une croissance du trafic aérien devant plus que doubler au cours des 20 prochaines années, la réduction de l’impact de l’aviation sur l’environnement passe par la montée en puissance de la propulsion électrique, hybride et hydrogène. Pour relever ce défi, l’industrie aéronautique mondiale (ATAG), y compris Airbus et SAS Scandinavian Airlines, s’est engagée à réaliser une croissance neutre en carbone pour l’industrie aéronautique dans son ensemble à partir de 2020, réduisant les émissions nettes de l’aviation de 50 % d’ici 2050 par rapport à 2005.

Mais, si l’on excepte les « avions-fusées », à statoréacteur, qui pourront peut-être permettre des vols commerciaux intercontinentaux à mach 6, à l’horizon 2050, mais resteront longtemps réservés aux passagers les plus fortunés, la grande rupture technologique qui marquera peut-être ce siècle en matière d’aviation est sans doute celle qui a eu lieu à la fin de l’année dernière, avec le premier vol expérimental, en laboratoire, d'un nouveau type d'appareil volant utilisant la propulsion électroaérodynamique (Voir article et vidéo Technology review).

Dans un article publié dans la prestigieuse revue "Nature", des chercheurs du MIT viennent en effet de révéler qu'ils ont conçu et développé le premier avion ne nécessitant aucune pièce mobile. Cet avion expérimental de 2,45 kilogrammes n'a pas fait tourner les aubes de turbines pour se propulser sur 60 mètres : il utilisait directement de l'électricité.

Si cette technologie doit encore être améliorée - et les ingénieurs du MIT sont convaincus qu'elle peut l'être -, les futurs aéronefs seraient beaucoup plus sûrs, plus silencieux et plus faciles à entretenir. Plus important encore, ce nouveau mode de propulsion entièrement électrique éliminerait les émissions de polluants et de CO2.

Ce récent vol inaugural a été rendu possible grâce à un processus appelé propulsion électroaérodynamique, une idée qui existe depuis plus de 50 ans. Le concept lui-même est beaucoup plus difficile à visualiser qu'une hélice en rotation et tire parti d'un phénomène physique appelé "vent ionique".

Utilisant de très hautes tensions (40 000 volts dans le cas de ce prototype), le propulseur génère des ions dans l'air autour de deux électrodes. Le champ électrique créé entre ceux-ci transfère alors un flux ionique d'une électrode plus petite à une plus grande. Dans leur déplacement, ces ions entrent en collision avec des molécules d’air, créant le vent ionique et poussant l’avion vers l’avant. Comme les ions produits se déplacent entre deux électrodes fixes, aucune pièce mobile n'est nécessaire pour faire fonctionner ce type d'avion.

Il y a dix ans, l’équipe de Steven Barrett, professeur d'aéronautique et d'astronautique au MIT, a repris ces recherches. Après de multiples tâtonnements - et beaucoup de déceptions - elle a fini par réussir, contre toute attente, le premier vol en milieu fermé d'un petit avion à propulsion ionique. Ces scientifiques sont donc tout à fait conscients du chemin qu'il reste à parcourir pour rendre cette technologie révolutionnaire utilisable à grande échelle. Mais il n'en reste pas moins vrai que ce premier vol constitue une véritable rupture et démontre la faisabilité de ce saut technologique majeur. « Il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant que votre voyage de Los Angeles à New York puisse se faire sans pièces mobiles, mais même si elle est encore loin de la phase commerciale, la propulsion électroaérodynamique va changer la donne pour les vols de drones et de petits appareils à courte portée et à faible charge utile », explique Priyanka Dhopade, chercheuse à l'Oxford Thermofluids Institute.

Steven Barrett pense que la propulsion électroaérodynamique va progressivement trouver sa place dans certains avions, en complément des moteurs à réaction. Selon lui, ces systèmes de propulsion électroaérodynamique pourraient être intégrés dans les ailes et le fuselage de certains appareils pour redynamiser l'air qui circule dans l'avion. Actuellement, cet air se retrouve derrière l'avion, se déplaçant lentement et le traînant vers l'arrière. Mais l'ajout de nouveaux systèmes de propulsion pourrait éliminer cette traînée et augmenter l'efficacité énergétique.

On le voit, après la voiture, les camions et le train, l’avion, longtemps resté à l’écart de la « vague verte » qui se répand dans l’ensemble des modes de transport sur la planète, a entamé sa mutation résolue vers des modes de propulsion sans émissions de gaz à effet de serre et, plus généralement, vers une réduction considérable de sa consommation d’énergie et de ses nuisances intrinsèques, notamment sonores.

Mais l’avion du futur ne sera pas seulement totalement propre, et bien plus sobre en énergie, il sera aussi - même si cette perspective semble encore relever de la science-fiction - totalement autonome. Selon un rapport de la banque UBS, les premiers avions semi-autonomes devraient embarquer leurs premiers passagers d'ici 2025. Airbus assure d’ailleurs être en mesure de proposer à ses clients des vols commerciaux avec des A350 à un seul pilote, ayant un haut niveau d’autonomie dès 2023.

Quant à des longs courriers complètement autonomes, ils seraient envisageables d’ici 2040, selon la plupart des spécialistes. Il est vrai que, toujours selon l’étude d'USB, déjà citée, l’industrie aéronautique pourrait économiser jusqu’à 35 milliards de dollars chaque année en passant à des appareils totalement autonomes. Boeing, le grand rival d'Airbus, n’est pas en reste et a réussi, le 22 janvier dernier, son premier essai de taxi volant totalement autonome (Voir Boeing). Cet appareil, un hybride de 9 mètres de long qui combine avion et hélicoptère, est prévu pour pouvoir réaliser des vols allant jusqu’à 90 km, en pleine autonomie.

Grâce à l’apport combiné de ces nouveaux modes de propulsion propre, de nouveaux matériaux aux propriétés extraordinaires de légèreté et de résistance, qui seront rendus possibles par les progrès de la conception atomique assistée par ordinateur, et par une assistance à la navigation qui utilisera massivement l’intelligence artificielle et la robotique, les avions que prendront dans une génération nos enfants et petits-enfants seront capables de transporter en toute sécurité, à un prix abordable et dans le respect de l’environnement, plus de 8 milliards de passagers par an, illustrant l’extraordinaire aventure humaine et technologique accomplie en un siècle et demi, depuis que le 9 octobre1890, Clément Ader, effectua sans doute ((à moins que ce ne soit les frères Wright en 1903), à Satory, le premier vol motorisé de l’histoire humaine avec son avion monoplan Eole…

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

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