Les requins vont-ils nous aider à réduire nos émissions de CO2 ?

Le défi de la consommation en kérosène de l’aviation commerciale 

La flotte aérienne mondiale comporte actuellement 24 000 avions commerciaux qui ont réalisé un total de 38 millions de vols en 2018, transportant 4,4 milliards de passagers : à chaque battement de cœur un avion décolle dans le monde, soit 72 vols par minute. Le transport aérien représente 3 à 4% des émissions de CO₂ mondiale, et avec les projections des tendances actuelles il pourrait monter à 22% des émissions de CO₂ mondiale en 2050. Avec un doublement du nombre de passagers tous les 15 ans⁽¹⁾, le transport aérien représente donc un des grands défis écologiques des prochaines décennies⁽²⁾.

Heureusement, le secteur aérien est le premier à s’engager dans son ensemble pour la planète. En effet l’OAIC, l’organisation internationale du transport aérien, s’est engagée en 2016 à maintenir d’ici à 2035 le niveau d’émission qui sera observé en 2020. Elle s’était par ailleurs fixée pour objectif en 2010 d’améliorer l’efficacité énergétique de la flotte de 2% par an⁽³⁾.

Toutes les pistes doivent donc être explorées, principalement l’utilisation de biocarburant, mais aussi l’amélioration de l’aérodynamisme des avions en vol.

De l’aérodynamisme des requins à l’aérodynamisme des avions

C’est dans ce cadre que de nombreuses recherches sont menées, notamment en s’inspirant de la nature, et plus particulièrement en observant un animal dont l’aérodynamisme est exceptionnel : le requin. En effet, lorsqu’ils se déplacent dans l’eau, les requins utilisent la forme de leur corps pour augmenter leur portance, et diminuer leur traînée. Les avions se déplacent dans l’air grâce aux mêmes principes.

Une évolution des avions inspirée de ce requin est d’ailleurs bien connue, les « winglets » de Boeing, appelés « sharklets » par Airbus. Cette nouvelle forme d’aile, repliée à l’extrémité, permet de réduire la portance, et donc la consommation de kérosène, avec une amélioration de l’efficacité énergétique estimée entre 1 et 2% !

Avec une vitesse moyenne de 50 km/h, et une vitesse de pointe estimée à 70 km/h, le requin Mako, le plus rapide du monde, a en particulier été étudié pour son aérodynamisme exceptionnel. La surface de sa peau, couverte de denticules, possède des propriétés aérodynamiques dont souhaite s’inspirer l’industrie aéronautique. L’université de Harvard a ainsi réalisé l’image au microscope électronique à balayage de leur peau, illustrée ci-dessous. ^{(4) (5)}

En imitant cette structure sur une aile d’avion, la traînée pourrait être réduite et la portance augmentée. Déjà dans les années 1990 Airbus avait testé un avion dont les ailes étaient partiellement recouvertes d’une feuille qui imitait la texture de la surface de l’animal. Malgré l’amélioration notable apportée, la technologie n’a pas encore pu passer le stade expérimental, faute de trouver un procédé suffisamment industriel.

En effet, la structure imprimée sur l’aile de l’avion devra tenir dans le temps (au moins 5 ans, à comparer aux 8 ans actuellement entre deux itérations de peinture de l’avion) dans des conditions extrêmes, avec notamment les dilatations et rétractations de l’aile avec l’écart de température entre les situations au sol et en vol.  Il s’agit aussi de couvrir des zones extrêmement grandes (4000m² de surface de peinture sur un Airbus A380) et potentiellement courbées, avec un motif extrêmement régulier, et ce dans un temps raisonnable de quelques jours pour l’ensemble de l’avion.

Quelles pistes pour industrialiser l’effet « peau de requin » ?

A ce stade différentes pistes sont à l’étude pour industrialiser le procédé d’impression d’un effet peau de requin sur une aile d’avion, présentées ci-après.

La texturation de peinture par moulage par l’Institut Fraunhofer

La première piste que nous allons évoquer a été développée dans le cadre du projet Européen Clean Sky grâce au partenariat entre l’Institut Fraunhofer en Allemagne, l’avionneur Airbus, et le fabriquant de peinture Mankiewicz. Dans le cadre de ce projet Lufthansa a réalisé des essais avec une aile texturée, très prometteurs ! Il s’agit d’imprimer le motif sur une couche de peinture fraiche grâce à un moule en silicone avant que celle-ci ne sèche, le séchage étant réalisé par UV. Sur la base des essais réalisés grâce au prototype de l’Institut Fraunhofer, ce procédé permettrait d’atteindre une vitesse de 1m²/min, et donc le traitement d’un avion en 1 à 2 jours. En effet le séchage UV prendrait seulement quelques secondes contre des heures habituellement. L’industrialisation reste un défi, avec la réutilisation du moule pour réaliser plusieurs motifs, et la conception d’outils pour s’adapter à la forme de l’avion.⁽⁶⁾

La micro fabrication additive par l’Université de Harvard

Un autre procédé mis en œuvre pour étudier l’effet « peau de requin » est la fabrication additive (impression 3D) du motif directement sur l’aile de l’avion. L’Université de Harvard a réalisé 20 configurations du motif en photopolymère transparent par ce procédé, et les a testés en soufflerie. Les résultats semblent au-delà des attentes initiales, avec, en plus de la diminution de la traînée attendue, une augmentation de la portance ! Le ratio portance sur traînée est ainsi amélioré de 323%, ouvrant la voie à de réduction de consommation en kérosène importante. Ce procédé néanmoins reste expérimental à ce stade, les techniques de fabrication additive ne permettant pas des rendements en adéquation avec le besoin final.⁽⁴⁾

L’usinage interférentiel par 4Jet

Le développement d’un procédé bien différent est en cours entre les entreprises allemandes 4Jet, spécialistes de l’usinage laser, et Mankiewicz, spécialiste des peintures pour avions ^{(8) (9)}. Il s’agit de réaliser directement l’usinage partiel de la peinture sur l’avion. En réalisant des interférences sur la surface de l’aile, la peinture sera alternativement usinée, ou non, de quelques microns, créant ainsi un motif proche de celui des requins Mako. La méthode développée par 4Jet serait 500 fois plus rapide que les méthodes de ce type auparavant développées, permettant la création de 15km de texture linéaire, soit 1m² de surface, en moins d’une minute. Ce projet est très prometteur permettrait une baisse de la consommation de carburant estimée à 1% !

La réalisation de pièces composites directement texturé par FRIMO

Enfin, un dernier procédé intéressant est la réalisation de pièces en composite directement texturées développé par FRIMO. Ce procédé n’est applicable qu’à l’automobile, les matériaux d’un avion n’étant à ce jour pas compatibles avec de tels procédés. Il a néanmoins le même objectif, améliorer l’aérodynamisme en réduisant la portance. Un partenariat entre FRIMO, BMW, 3D-Core, Eschmann-Texture, ISL and Dstyle a permis de réaliser des pièces pour une BMW Z4 texturée. Les pièces sont réalisées en composite Vitrox® par moulage. Les tests effectués dans un tunnel indépendant, ont effectivement permis de mesurer une diminution de la traînée du véhicule ! ^{(10) (11)}

Et Cailabs dans tout ça ?

Cailabs participe au projet européen CUSTODIAN⁽¹²⁾ pour améliorer le rendement des procédés de fabrication additive, pertinent pour le procédé développé par Harvard.

Néanmoins, l’intérêt principal de Cailabs est dans l’optimisation du procédé d’usinage de la peinture par interférences. En effet, nous avons noté le développement à l’échelle industrielle, d’une méthodologie de décapage de peinture par laser, une première, qui par ailleurs est aussi un grand pas écologique, limitant l’utilisation de procédés chimiques relativement sales.⁽¹³⁾

Développé par LR Systems, ce procédé utilise un laser à CO₂ de très forte puissance (20 à 30kW), laser qui semble donc adapté au retrait de peinture, principe de base du procédé interférentiel. Ces lasers présentent des profils gaussiens, à symétrie circulaire, non idéal pour réaliser une texturation extrêmement uniforme en scannant. La mise en forme de type « top-hat » carré permettrait d’une part d’avoir un motif plus régulier, mais aussi de scanner sans recouvrement tout en ayant un motif identique partout sur la surface de l’avion.

Ce type de mise en forme à très haute puissance ne semble possible que grâce à la technologie de CANUNDA-HP toute réflective permettant le refroidissement optimum des optiques !

 References: 

(1) The conversation – « Trafic aérien mondial, une croissance fulgurante pas prête de s’arrêter ».

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(2) Wikipedia -« Impact climatique du transport aérien ». Lire l’article

(3) La Tribune – « Le transport aérien s’engage contre le réchauffement climatique ». Lire l’article

(4) Journal of The Royal Society Interface, Volume 15, Issue 139 – « Shark skin-inspired designs that improve aerodynamic performance », publication: 7 Feb, 2018. August G. Domel, Mehdi Saadat, James C. Weaver, Hossein Haj-Hariri, Katia Bertoldi and George V. Lauder.  Lire la publication 

(5) Aerospace Technology – « Sharkskin design improves aircraft aerodynamics ». Lire l’article

(6) MRO Network – « Shark-skinned ». Lire l’article

(7) Fraunhofer Ifam – « Low drag surface riblet coating fraunhofer ifam ». Lire l’article 

(8) Simple flying – « Exciting New “Shark Skin” Technology To Cut Aircraft Fuel Usage ». Lire l’article 

(9) Laser Systems Europe – « Shark-inspired surfaces increase fuel efficiency of aircraft ». Lire l’article 

(10) Plastics – « Street Shark 3.0 – sports car with shark skin surface ». Lire l’article

(11) FRIMO – « FRIMO Street Shark – PU Composites enable Shark skin effect for future surface ».

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(12) Custodian: https://shapeyourlaser.eu/

(13) Photonics.com – « Laser Paint Removal Takes Off in Aerospace ». Lire l’article

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Par Gwenn Pallier

Ingénieure en Optique diplômée de l’Institut d’Optique (SupOptique) et responsable de Ligne Produit et de Projets à Cailabs, Gwenn Pallier apporte son expertise au développement et à la commercialisation de solutions optiques innovantes pour optimiser la qualité et les rendements de procédés d’usinage laser.