Airbus et Toshiba lancent un travail commun pour vérifier si des moteurs électriques supraconducteurs peuvent réellement propulser de futurs avions à hydrogène. Au centre de l’étude se trouve un prototype de moteur supraconducteur de 2 mégawatts achevé en 2022 par Toshiba, bien plus compact et environ dix fois plus léger qu’un moteur de même puissance classique. L’ambition est simple: démontrer qu’une propulsion électrique alimentée par piles à combustible peut répondre aux contraintes sévères de l’aviation commerciale.
Pourquoi ce rapprochement compte
Dans un avion, chaque kilogramme économisé améliore l’autonomie, la consommation et la charge utile. Un moteur capable de délivrer une forte puissance tout en étant extrêmement léger et compact change la donne. Le cœur de la proposition de Toshiba, c’est un rapport puissance/poids très supérieur aux machines électriques conventionnelles, une caractéristique qui correspond aux besoins formulés par Airbus pour ses concepts d’avions à hydrogène. Moins de masse signifie aussi moins de structure de soutien, donc des gains en effet domino sur toute l’architecture de l’appareil.
Ce que propose la technologie de Toshiba
Le prototype de 2 MW de Toshiba illustre l’intérêt des matériaux supraconducteurs: à très basse température, ils offrent une résistance électrique nulle, ce qui permet des densités de courant élevées sans pertes Joule. Résultat: à puissance équivalente, le moteur peut être beaucoup plus petit et léger. Selon Toshiba, on atteint environ un dixième du poids d’un produit conventionnel de même catégorie. Pour un avion, cela ouvre la voie à des nacelles plus fines, à une meilleure intégration autour des réservoirs d’hydrogène et à des marges accrues pour la gestion thermique.
De l’hydrogène à la poussée: la chaîne de propulsion
Le schéma envisagé privilégie une propulsion électrique: des piles à combustible transforment l’hydrogène en électricité, laquelle alimente les moteurs supraconducteurs qui entraînent les propulseurs. Cette approche se distingue de la combustion directe de l’hydrogène dans une turbine à gaz. L’avantage principal: un système propulsif potentiellement plus efficace et modulable, avec une génération électrique distribuée et des pertes limitées au niveau des moteurs.
Froid extrême: une synergie avec l’hydrogène liquide
Les matériaux supraconducteurs fonctionnent au mieux à des températures cryogéniques. Au sol, on utilise classiquement l’hélium liquide (environ −269 °C) ou l’azote liquide (environ −196 °C) pour atteindre ces régimes. Dans un avion à hydrogène, l’hydrogène liquide doit déjà être conservé à près de −253 °C: cette ressource froide peut donc, en théorie, jouer un double rôle. Elle sert à la fois de carburant pour les piles à combustible et de caloporteur pour refroidir le moteur supraconducteur. Cette synergie évite l’emport d’un circuit de refroidissement dédié, lourd et énergivore.
Efficacité globale et architecture allégée
En mutualisant le froid déjà présent à bord, on simplifie l’architecture: moins d’équipements, moins de masse, moins de pertes. La réduction d’un système de refroidissement séparé se traduit par une efficacité accrue de bout en bout, de la production d’électricité jusqu’à la poussée. Pour l’exploitant, cela peut signifier une consommation d’hydrogène plus basse, une meilleure autonomie et des coûts opérationnels optimisés, tout en respectant les exigences de sécurité et de fiabilité du transport aérien.
Étapes à venir et champs d’application
La priorité du programme commun est de vérifier la viabilité du moteur dans des conditions aéronautiques: cycles thermiques, vibrations, sécurité cryogénique, maintenance et intégration avec les piles à combustible. Même si la recherche n’en est qu’à ses débuts, les perspectives dépassent l’aéronautique: des plateformes maritimes pourraient bénéficier de la densité de puissance et de la sobriété énergétique, et certaines applications spatiales de demain pourraient exploiter des sous-systèmes supraconducteurs pour la conversion et la propulsion électrique.
Tendances du secteur: d’autres voies vers l’hydrogène
Le mouvement est plus large que ce seul partenariat. Des équipes comme Genuine H2 et des chercheurs de la Brunel University London explorent des filières complémentaires: produire de l’hydrogène à partir d’eau de mer via de l’électricité renouvelable, le stocker sous forme solide moléculaire à bord, puis l’utiliser en moteur en remplacement du diesel, sans émission de CO2. Ces approches illustrent la diversité des solutions en cours d’étude pour décarboner les transports.
En résumé
- Un moteur supraconducteur de 2 MW, dix fois plus léger qu’un équivalent classique, attire l’attention d’Airbus.
- La propulsion électrique à l’hydrogène via piles à combustible se distingue de la combustion directe et promet des gains d’efficacité.
- L’hydrogène liquide pourrait refroidir le moteur, supprimant un système cryogénique dédié et allégeant l’avion.
- Des usages potentiels existent au-delà de l’aviation, du maritime au spatial.
FAQ
Quand pourrait-on voir un démonstrateur en vol ?
Les démonstrateurs de propulsion électrique à l’hydrogène progressent rapidement dans l’industrie. Compte tenu des essais au sol, de l’intégration cryogénique et de la certification, des vols de démonstration à échelle réduite sont plausibles au cours de la décennie, tandis qu’une entrée en service commerciale viserait plutôt les années 2030.
Quelles sont les principales difficultés techniques à lever ?
- La gestion du quench (perte soudaine de supraconductivité) et sa protection.
- L’intégration du circuit cryogénique avec l’hydrogène liquide en toute sécurité.
- La robustesse des électroniques de puissance et des câbles à très basse température.
- La maintenance et la fiabilité en exploitation aérienne.
Ces moteurs réduisent-ils le bruit en vol ?
Les moteurs électriques sont naturellement plus silencieux. Le bruit perçu dépendra surtout des propulseurs (hélices/soufflantes) et de leur intégration, mais la motorisation supraconductrice peut contribuer à diminuer le bruit global par rapport à des solutions thermiques classiques.
Quelle infrastructure au sol faut-il pour l’hydrogène liquide ?
Il faut des installations de liquéfaction ou d’approvisionnement en hydrogène liquide, des capacités de stockage cryogénique, des procédures de sécurité et des équipements de ravitaillement compatibles avec l’aviation. Le déploiement de cette infrastructure est un chantier majeur pour les aéroports.
Combustion d’hydrogène ou piles à combustible: quelle différence opérationnelle ?
- Les piles à combustible alimentent une propulsion entièrement électrique, potentiellement très efficace à charge partielle.
- La combustion directe d’hydrogène dans une turbine peut offrir une puissance spécifique et une réactivité élevées, avec une architecture mieux connue.
Le choix dépendra des missions, des contraintes d’intégration et des objectifs d’émissions et d’efficacité.
