En plein débat sur la manière de réduire l'impact environnemental du transport aérien, Airbus a présenté en septembre 2020 trois concepts d'avion à hydrogène en promettant un avion d'au moins 100 places totalement décarboné d'ici à 2035. Le plus disruptif envisage une aile volante, un projet en rupture complète avec l'innovation incrémentale des dernières décennies et qui pose un certains nombre de défis.

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L'hydrogène pose de nombreux défis pour les matériaux

À Toulouse, depuis un an, le département mécanique des structures et matériaux (DMSM) de l'Isae-Supaero planche en collaboration avec Chantal Fualdes, executive expert d'Airbus pour les composites, sur un projet de recherche pour déterminer les matériaux les plus adaptés à l'utilisation de l'hydrogène.

"L'hydrogène n'est pas un carburant comme les autres. Il est quatorze fois plus léger que l'air. Il occupe un volume absolument gigantesque, quatre fois plus que le kérosène. Cela veut dire des réservoirs énormes. Le volume de l'aile d'un A380 n'est pas suffisant. C'est la raison pour laquelle l'architecture traditionnelle d'un avion ne fonctionne pas. Deuxième défi, l'hydrogène doit être maintenu à -252°C, cela nécessite des isolations et un conditionnement thermodynamique très particulier. Le troisième challenge est la fragilisation par l'hydrogène (embrittlement en anglais). L'hydrogène rend les matériaux plus cassants. Ces trois caractéristiques font qu'on ne peut pas utiliser des matériaux traditionnels", décrit Yves Gourinat, enseignant-chercheur à l'Isae-Supaero.

Le multicouches pour favoriser l'isolation thermique

Plusieurs pistes sont étudiées pour contourner ces problèmes. Celle qui est peut-être la plus prometteuse vise à miser sur les matériaux multicouches pour favoriser l'isolation thermique de l'appareil.

"C'est une piste qui est bioinspirée. L'isolation thermique chez les oiseaux cela fonctionne par multicouches. De la même manière, dans un gilet pare-balles, la première couche est sacrifiée et va se reporter sur la deuxième et ainsi de suite. Dans la thermique des satellites, le même procédé est utilisé. Les couches argentées qui entourent les satellites sont des couches de captons métallisés qui agissent comme des barrières isolantes. Citons enfin l'exemple du matériau composite glare (de l'anglais Glass Laminate Aluminium Reinforced Epoxy) qui est utilisé dans l'A380. Il s'agit d'alterner des couches de fibre de verre et de métal. Nous cherchons à alterner des couches thermiques et des couches dynamiques en additionnant les propriétés de chaque matériau", poursuit le chercheur.

Autre piste de travail : aller vers des matériaux polyvalents. " Ils doivent être à la fois structuraux, tenir aux vibrations, isolants au niveau thermique. Et pour l'instant, nous ne savons pas cumuler dans une même solution l'ensemble de ces qualités", ajoute-t-il. Ces travaux de prospective pourraient déboucher sur des démonstrateurs dans les deux à trois années à venir.

Malgré l'ampleur des défis techniques, les équipes de l'Isae-Supaero ne cachent pas leur enthousiasme. "Ceux qui ont conçu les premiers avions ont été confrontés aux mêmes difficultés. Les frères Wright, qui ont fait voler leur premier appareil avec de l'essence, ont réalisé énormément de travaux sur leur moteur pour être sûr que cela allait fonctionner et le certifier pour embarquer des passagers. C'est une aventure qui s'est réalisée non sans difficulté. Mais on s'aperçoit que les périodes de crise sont très favorables pour rebattre les cartes", fait remarquer Yves Gourinat. Le chercheur imagine qu'en cas de succès le secteur de l'aviation pourrait entraîner dans son sillage pourquoi pas la transport maritime, ferroviaire et la machinisme agricole.