Le concept d’un avion hybride électrique peut réduire le problème de pollution de l’air dans l’aviation

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Crédit: Unsplash / CC0 Public Domain

À l’altitude de croisière, les avions émettent un flux constant d’oxydes d’azote dans l’atmosphère, où les produits chimiques peuvent persister pour produire de l’ozone et des particules fines. Oxydes d’azote, ou NOX, sont une source majeure de pollution atmosphérique et ont été associées à l’asthme, aux maladies respiratoires et aux troubles cardiovasculaires. Des recherches antérieures ont montré que la production de ces produits chimiques due à l’aviation mondiale entraîne 16 000 décès prématurés chaque année.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont mis au point un concept de propulsion d’avion qui, selon eux, éliminerait 95% du NO de l’aviationX et réduisent ainsi le nombre de décès précoces associés de 92%.

Le concept est inspiré des systèmes de contrôle des émissions utilisés dans les véhicules de transport terrestre. De nombreux camions diesel lourds abritent aujourd’hui des systèmes de contrôle des émissions après la combustion pour réduire le NOX générés par les moteurs. Les chercheurs proposent maintenant une conception similaire pour l’aviation, avec une touche électrique.

Les avions d’aujourd’hui sont propulsés par des moteurs à réaction ancrés sous chaque aile. Chaque moteur abrite une turbine à gaz qui alimente une hélice pour déplacer l’avion dans l’air alors que les gaz d’échappement de la turbine s’échappent par l’arrière. En raison de cette configuration, il n’a pas été possible d’utiliser des dispositifs de contrôle des émissions, car ils interféreraient avec la poussée produite par les moteurs.

Dans la nouvelle conception hybride-électrique, ou « turbo-électrique », la source d’énergie d’un avion serait toujours une turbine à gaz conventionnelle, mais elle serait intégrée dans la soute de l’avion. Plutôt que d’alimenter directement des hélices ou des ventilateurs, la turbine à gaz entraînerait un générateur, également dans la cale, pour produire de l’électricité, qui alimenterait alors électriquement les hélices ou les ventilateurs électriques montés sur les ailes de l’avion. Les émissions produites par la turbine à gaz seraient introduites dans un système de contrôle des émissions, globalement similaire à ceux des véhicules diesel, qui nettoierait l’échappement avant de l’éjecter dans l’atmosphère.

«Ce serait encore un énorme défi technique, mais il n’y a pas de limites physiques fondamentales», déclare Steven Barrett, professeur d’aéronautique et d’astronautique au MIT. « Si vous voulez arriver à un secteur de l’aviation à zéro net, c’est un moyen potentiel de résoudre la partie de la pollution de l’air, qui est importante, et d’une manière qui est technologiquement tout à fait viable. »

Les détails de la conception, y compris les analyses de son coût potentiel de carburant et de ses impacts sur la santé, sont publiés aujourd’hui dans la revue Sciences de l’énergie et de l’environnement. Les co-auteurs de l’article sont Prakash Prashanth, Raymond Speth, Sebastian Eastham et Jayant Sabnins, tous membres du Laboratoire de l’aviation et de l’environnement du MIT.

Un plan semi-électrifié

Les graines de l’avion hybride électrique de l’équipe sont issues du travail de Barrett et de son équipe dans l’enquête sur le scandale des émissions de diesel de Volkswagen. En 2015, les régulateurs environnementaux ont découvert que le constructeur automobile avait intentionnellement manipulé des moteurs diesel pour activer les systèmes de contrôle des émissions à bord uniquement pendant les tests en laboratoire, de sorte qu’ils semblaient répondre au NONX normes d’émissions mais en fait émis jusqu’à 40 fois plus de NOX dans des conditions de conduite réelles.

En examinant les effets sur la santé de la fraude sur les émissions, Barrett s’est également familiarisé avec les systèmes de contrôle des émissions des véhicules diesel en général. À peu près à la même époque, il étudiait également la possibilité de concevoir de gros avions tout électriques.

«Les recherches qui ont été effectuées au cours des dernières années montrent que vous pourriez probablement électrifier des avions plus petits, mais pour les gros avions, cela ne se produira pas de sitôt sans des percées majeures dans la technologie des batteries», déclare Barrett. «J’ai donc pensé que nous pourrions peut-être prendre la partie propulsion électrique des avions électriques et les turbines à gaz qui existent depuis longtemps et qui sont super fiables et très efficaces, et combiner cela avec la technologie de contrôle des émissions utilisée dans l’automobile. et une alimentation au sol, pour au moins activer les avions semi-électrifiés. « 

Voler sans impact

Avant que l’électrification des avions ne soit sérieusement envisagée, il aurait peut-être été possible de mettre en œuvre un tel concept, par exemple en tant que complément à l’arrière des moteurs à réaction. Mais cette conception, note Barrett, «tuerait tout courant de poussée» qu’un moteur à réaction produirait, ancrant effectivement la conception.

Le concept de Barrett contourne cette limitation en séparant les hélices ou les ventilateurs produisant la poussée de la turbine à gaz génératrice d’énergie. Les hélices ou les ventilateurs seraient à la place directement alimentés par un générateur électrique, qui à son tour serait alimenté par la turbine à gaz. Les gaz d’échappement de la turbine à gaz seraient introduits dans un système de contrôle des émissions, qui pourrait être replié, en accordéon, dans la soute de l’avion – complètement isolé des hélices produisant la poussée.

Il envisage que la majeure partie du système hybride-électrique – turbine à gaz, générateur électrique et système de contrôle des émissions – s’intégrerait dans le ventre d’un avion, où il peut y avoir suffisamment d’espace dans de nombreux avions commerciaux.

Dans leur nouveau document, les chercheurs calculent que si un tel système hybride électrique était mis en œuvre sur un Boeing 737 ou un avion de type Airbus A320, le poids supplémentaire nécessiterait environ 0,6% de carburant en plus pour faire voler l’avion.

«Ce serait beaucoup, beaucoup plus faisable que ce qui a été proposé pour les avions tout électriques», dit Barrett. « Cette conception ajouterait quelques centaines de kilogrammes à un avion, par opposition à l’ajout de plusieurs tonnes de batteries, ce qui représenterait plus d’un poids supplémentaire. »

Les chercheurs ont également calculé les émissions qui seraient produites par un gros avion, avec et sans système de contrôle des émissions, et ont constaté que la conception hybride électrique éliminerait 95% des NO.X émissions

Si ce système était déployé sur tous les aéronefs du monde entier, ils estiment en outre que 92% des décès liés à la pollution dus à l’aviation seraient évités. Ils sont arrivés à cette estimation en utilisant un modèle global pour cartographier le flux des émissions de l’aviation dans l’atmosphère, et ont calculé à quel point les différentes populations du monde seraient exposées à ces émissions. Ils ont ensuite converti ces expositions en mortalités, ou en estimations du nombre de personnes qui mourraient à la suite d’une exposition aux émissions de l’aviation.

L’équipe travaille actuellement sur la conception d’un avion «sans impact» qui vole sans émettre de NONX et d’autres produits chimiques comme le dioxyde de carbone altérant le climat.

«Nous devons parvenir à pratiquement zéro impact climatique net et zéro décès dû à la pollution atmosphérique», dit Barrett. « Cette conception actuelle éliminerait efficacement le problème de pollution de l’air de l’aviation. Nous travaillons actuellement sur la partie de l’impact climatique. »


Airbus, Rolls-Royce, Siemens travaillant sur un avion hybride

Plus d’information: Prakash Prashanth et coll. Contrôle des émissions après combustion dans les moteurs de turbines à gaz aéronautique, Énergie et sciences de l’environnement (2020). DOI: 10.1039 / D0EE02362K
Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Citation: Le concept d’un avion hybride-électrique peut réduire le problème de pollution de l’air dans l’aviation (2021, 14 janvier) récupéré le 14 janvier 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-01-concept-hybrid-electric-plane-aviation-air .html

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