Imaginez que nous sommes en 2050

Imaginez que nous sommes en 2050 et que vous êtes à bord d’un vol transcontinental à bord d’un tout nouveau type d’avion, sans carburant à bord. L’avion décolle et vous vous élevez au-dessus de l’aéroport. Au lieu de monter à l’altitude de croisière, votre avion reste à niveau et les moteurs se taisent pour laisser place à un doux bourdonnement. Est-ce normal ? Personne ne semble le savoir. Les passagers anxieux se penchent pour avoir une meilleure vue par les fenêtres. Ils cherchent tous la même chose.

Puis, cela apparaît : un immense réseau d’antennes à l’horizon. Il émet un puissant faisceau de rayonnement électromagnétique dirigé vers le dessous de l’avion. Après avoir absorbé cette énergie, les moteurs se mettent en marche et l’aéronef continue son ascension. En quelques minutes, le faisceau fournira juste assez d’énergie pour vous amener à la prochaine antenne terrestre située quelques centaines de kilomètres plus loin.

La personne à côté de vous expire bruyamment. Vous vous détendez dans votre siège et attendez votre boisson. L’anxiété de l’autonomie des véhicules électriques traditionnels n’est rien comparée à cela.

Des ondes électromagnétiques en plein vol

La transmission d’énergie par faisceau pour l’aviation est une idée audacieuse, j’en conviens. Si la physique ne l’interdit pas, les régulateurs fédéraux ou les passagers nerveux le feront probablement. Mais par rapport aux autres propositions de décarbonisation de l’aviation, est-ce si fou que ça ?

Les batteries, l’hydrogène, les carburants à base de carbone alternatifs – rien de ce qui a été développé jusqu’à présent n’est capable de stocker de l’énergie aussi bon marché et dense que les combustibles fossiles, ou de répondre pleinement aux besoins du transport aérien commercial tel que nous le connaissons. Alors, et si nous renoncions à stocker toute l’énergie à bord et la transmettions plutôt depuis le sol ? Laissez-moi esquisser ce qu’il faudrait pour que cette idée fonctionne.

Pour la source d’énergie sans fil, les ingénieurs choisiraient probablement les micro-ondes car ce type de rayonnement électromagnétique peut traverser les nuages sans encombre et parce que les récepteurs des avions pourraient l’absorber complètement, avec un risque presque nul pour les passagers.

Pour alimenter un avion en mouvement, le rayonnement des micro-ondes devrait être envoyé dans un faisceau serré et orientable. Cela peut être fait en utilisant une technologie appelée un réseau en phase, qui est couramment utilisé pour diriger des faisceaux radar. Avec suffisamment d’éléments dispersés de manière adéquate et tous travaillant ensemble, les réseaux en phase peuvent également être configurés pour concentrer l’énergie sur un point à une certaine distance, comme l’antenne de réception sur un avion.

Les réseaux en phase fonctionnent sur le principe de l’interférence constructive et destructive. Le rayonnement des éléments de l’antenne se chevaucheront, bien sûr. Dans certaines directions, les ondes irradiées s’annuleront mutuellement par interférence destructive, et dans d’autres directions, les ondes se superposeront parfaitement en phase, s’ajoutant ensemble de manière constructive. Là où les ondes se superposent de manière constructive, l’énergie se propage dans cette direction, créant un faisceau de puissance qui peut être dirigé électroniquement.

Jusqu’à quelle distance pouvons-nous envoyer de l’énergie dans un faisceau serré avec un réseau en phase est régi par la physique – spécifiquement, par quelque chose appelé la limite de diffraction. Il y a une manière simple de calculer le cas optimal pour la transmission d’énergie en faisceau : D1 D2 > λ R. Dans cette inégalité mathématique, D1 et D2 sont les diamètres des antennes d’émission et de réception, λ est la longueur d’onde du rayonnement, et R est la distance entre ces antennes.

Maintenant, permettez-moi de vous donner une idée approximative de la taille que l’antenne d’émission (D1) doit avoir. La taille de l’antenne de réception sur l’avion est probablement le facteur limitant le plus important. Un avion de taille moyenne comporte une surface d’aile et de fuselage d’environ 1 000 mètres carrés, ce qui devrait permettre l’équivalent d’une antenne de réception de 30 mètres de large (D2) intégrée sous l’avion.

La transmission d’énergie dans le monde réel

Bien que ce que j’ai décrit soit théoriquement possible, en pratique, les ingénieurs n’ont transmis qu’une fraction de la quantité d’énergie nécessaire pour un avion de ligne, et ce, sur des distances beaucoup plus courtes.

La NASA détient le record d’une expérience de 1975, où elle a transmis 30 kilowatts d’énergie sur 1,5 km avec une antenne de la taille d’une maison. Pour réaliser cet exploit, l’équipe a utilisé un dispositif analogique appelé un klystron. La géométrie d’un klystron provoque des oscillations des électrons de manière à amplifier les micro-ondes d’une fréquence particulière – un peu comme la géométrie d’un sifflet provoque des oscillations de l’air et produit un son particulier.

Les klystrons et leurs cousins, les magnétrons en cavité (trouvés dans les fours à micro-ondes ordinaires), sont assez efficaces en raison de leur simplicité. Mais leurs propriétés dépendent de leur géométrie précise, ce qui rend difficile la coordination de nombreux dispositifs pour concentrer l’énergie dans un faisceau serré.

Au cours des dernières années, les progrès de la technologie des semi-conducteurs ont permis à un seul oscillateur de piloter un grand nombre d’amplificateurs à semi-conducteurs en près d’une coordination de phase parfaite. Cela a permis un focus des micro-ondes beaucoup plus serré que ce qui était possible auparavant, permettant un transfert d’énergie plus précis sur de plus longues distances.

En 2022, la startup Emrod, implantée à Auckland, a montré à quel point cette approche basée sur les semi-conducteurs pourrait être prometteuse. Dans un hangar gigantesque en Allemagne appartenant à Airbus, les chercheurs ont transmis 550 watts sur 36 mètres et ont maintenu plus de 95 % de l’énergie dans un faisceau serré – bien mieux que ce qui pouvait être obtenu avec des systèmes analogiques. En 2021, le Naval Research Laboratory des États-Unis a montré que ces techniques pouvaient gérer des niveaux de puissance plus élevés lorsqu’il a envoyé plus d’un kilowatt entre deux antennes au sol distantes d’un kilomètre. D’autres chercheurs ont alimenté des drones en vol, et quelques groupes ont même l’intention d’utiliser des réseaux en phase pour transmettre l’énergie solaire des satellites à la Terre.

Une rectenna pour les générations futures

Ainsi, la transmission d’énergie aux avions de ligne pourrait ne pas être entièrement folle. Mais veuillez rester assis avec votre ceinture attachée ; des turbulences vous attendent pour cette idée. Un avion de type Boeing 737 au décollage nécessite environ 30 mégawatts – mille fois plus que ce que n’importe quelle expérience de transmission d’énergie a démontré. Passer à ce niveau tout en conservant nos avions aérodynamiques (et pilotables) ne sera pas facile.

Considérez la conception de l’antenne sur l’avion, qui reçoit et convertit les micro-ondes en courant électrique pour alimenter l’aéronef. Cette antenne redresseuse, ou rectenna, devrait être construite sur les surfaces inférieures de l’avion en tenant compte de l’aérodynamique. La transmission d’énergie sera maximisée lorsque l’avion sera juste au-dessus de la station émettrice, mais sera bien plus limitée le reste du temps, lorsque les stations émettrices sont bien en avance ou en retard par rapport à l’avion. À ces angles, le faisceau activerait seulement les surfaces avant ou arrière de l’avion, rendant particulièrement difficile la réception d’une quantité suffisante d’énergie.

Avec 30 MW projetés sur une si petite surface, la densité de puissance posera problème. Si l’avion est de la taille d’un Boeing 737, la rectenna devrait concentrer environ 25 W dans chaque centimètre carré. Comme les éléments à semi-conducteurs du réseau seraient espacés d’environ une demi-longueur d’onde – soit 2,5 cm – cela se traduit par environ 150 W par élément, dangereusement proche de la densité de puissance maximale de n’importe quel dispositif de conversion de puissance à semi-conducteur. Le meilleur résultat du Google IEEE Little Box Challenge de 2016 était d’environ 150 W par pouce cube (moins de 10 W par centimètre cube).

La rectenna devra également être très légère et minimiser la perturbation du flux d’air sur l’avion. Compromettre la géométrie de la rectenna pour des raisons aérodynamiques pourrait réduire son efficacité. Les efficacités de transfert d’électricité de pointe actuelles ne sont que d’environ 30 %, donc la rectenna ne peut pas se permettre de compromettre trop.

Et tout cet équipement devra fonctionner dans un champ électrique d’environ 7 000 volts par mètre – la force du faisceau de puissance. Le champ électrique à l’intérieur d’un four à micro-ondes, qui n’est que d’environ un tiers moins fort, peut créer une décharge de couronne, ou un arc électrique, entre les dents d’une fourchette en métal, alors imaginez ce qui pourrait se produire à l’intérieur de l’électronique de la rectenna.

Les défis de la décarbonisation de l’aviation

Les oiseaux, cependant, n’auront pas cette protection. Les oiseaux volant à travers notre faisceau d’énergie près du sol pourraient rencontrer un chauffage de plus de 1 000 watts par mètre carré – plus fort que le soleil par une journée chaude. Plus haut, le faisceau se rétrécira en un point focal avec beaucoup plus de chaleur. Mais comme ce point focal se déplacerait très rapidement et serait situé plus haut que là où les oiseaux volent généralement, les canards rôtis tombant du ciel seraient rares à double titre. Ray Simpkin, directeur scientifique d’Emrod, m’a dit qu’il faudrait "plus de 10 minutes pour cuire un oiseau" avec le système relativement basse puissance d’Emrod.

Des défis juridiques surviendraient sûrement, cependant, et pas seulement de la part de la National Audubon Society. Trente mégawatts transmis dans l’air seraient environ 10 milliards de fois plus forts que les signaux typiques à des longueurs d’onde de 5 cm (une bande actuellement réservée aux radios amateurs et aux communications par satellite). Même si l’émetteur réussissait à orienter avec succès 99 % des ondes dans un faisceau serré, le 1 % qui fuite resterait néanmoins cent millions de fois plus fort que les transmissions approuvées aujourd’hui.

Et rappelez-vous que les régulateurs de l’aviation nous font éteindre nos téléphones portables lors du décollage pour diminuer le bruit radio, alors imaginez ce qu’ils diront sur le fait de soumettre un avion entier à un rayonnement électromagnétique sensiblement plus fort que celui d’un four à micro-ondes. Tous ces problèmes sont surmontables, peut-être, mais seulement avec de très bons ingénieurs (et avocats).

Décarboniser avec le plus grand four à micro-ondes du monde

Les gens pourraient trouver des solutions pour bon nombre de ces problèmes. Si la conception de la rectenna est trop difficile à réaliser, par exemple, peut-être que les concepteurs trouveront qu’ils n’ont pas besoin de reconvertir les micro-ondes en électricité – des précédents existent pour utiliser la chaleur pour propulser les avions. Un trajet en dents de scie – l’avion montant en approchant chaque station émettrice et descendant après l’avoir dépassée – pourrait aider avec les problèmes de densité de puissance et de champ de vision, de même que les designs à aile volante, qui offrent beaucoup plus d’espace pour de grandes rectennas. Peut-être que l’utilisation d’aéroports municipaux existants ou la mise en place d’antennes au sol près de fermes solaires pourraient réduire certains coûts d’infrastructure. Et peut-être que les chercheurs trouveront des raccourcis pour simplifier radicalement les émetteurs de réseau en phase. Peut-être, peut-être.

Il est certain que la transmission d’énergie pour l’aviation est confrontée à de nombreux défis. Mais les options moins fantaisistes pour décarboniser l’aviation ont leurs propres problèmes. Les avions électriques ne répondent même pas aux besoins des compagnies aériennes commerciales. Les meilleures batteries rechargeables ont environ 5% de la densité d’énergie effective du carburant d’avion. À ce chiffre, un avion entièrement électrique devrait remplir tout son fuselage de batteries – pas de place pour les passagers, désolé – et il ne parcourrait toujours qu’un dixième de la distance d’un jet ordinaire. Étant donné que les meilleures batteries n’ont progressé que de trois fois au cours des trois dernières décennies, il est sûr de dire que les batteries ne propulseront pas le transport aérien commercial tel que nous le connaissons de sitôt.

Le #Hydrogène n’est pas beaucoup plus avancé, malgré les premiers vols à l’hydrogène qui remontent à près de 40 ans. Et cela pourrait être dangereux – au point que certains desseins d’avions à hydrogène ont inclus deux fuselages distincts : un pour le carburant et un pour les passagers pour leur donner plus de temps pour s’éloigner si les choses deviennent explosives. Les mêmes facteurs qui ont freiné la mise sur route des voitures à hydrogène empêcheront probablement les avions à hydrogène de prendre leur envol.

Les carburants synthétiques et biologiques pour avions sont probablement la proposition la plus raisonnable. Ils offriront une aviation telle que nous la connaissons aujourd’hui, mais à un coût plus élevé – peut-être 20 à 50% plus cher par billet. Mais les carburants produits à partir de cultures alimentaires peuvent être pires pour l’environnement que les combustibles fossiles qu’ils remplacent, et les carburants produits à partir de CO2 et d’électricité sont encore moins économiques. De plus, tous les carburants de combustion pourraient contribuer à la formation de traînées de condensation, qui représentent plus de la moitié de l’impact climatique de l’aviation.

Le grand problème avec l’approche "saine" pour décarboniser l’aviation est qu’elle ne nous présente pas du tout une vision de l’avenir. Dans le meilleur des cas, nous aurons une version plus coûteuse de la même expérience de voyage aérien que le monde a connue depuis les années 1970.

Il est vrai que la transmission d’énergie par faisceau pour l’aviation est beaucoup moins susceptible de fonctionner. Mais il est bon d’examiner des choses folles comme celle-ci de temps en temps. Les avions eux-mêmes étaient une idée folle lorsqu’ils ont été proposés pour la première fois. Si nous voulons nettoyer l’environnement et produire un futur qui ressemble réellement à un futur, nous devrons peut-être tenter des choses improbables.