Principes des moteurs thermoacoustiques

Les moteurs thermoacoustiques exploitent un phénomène décrit mathématiquement pour la première fois au XIXe siècle mais pratiquement réalisé dans la seconde moitié du XXe siècle. Lorsqu'un gradient de température est établi à travers une pile dense de plaques parallèles ou un matériau poreux (le --stack-sack-station ou -regenerator-) placé dans un volume scellé de gaz, les oscillations acoustiques peuvent être spontanément générées. La chaleur appliquée sur le côté chaud de la pile provoque l'expansion et la compression du gaz adjacent, créant une onde itinérante ou debout qui se propage à travers le fluide de travail. Cette onde acoustique transporte de l'énergie qui peut être extraite par un alternateur linéaire, un piston, ou une turbine pour produire du travail mécanique ou de l'électricité.

Deux configurations principales existent : les moteurs à ondes debout et à ondes mobiles. Les moteurs à ondes permanentes sont plus simples, s'appuyant sur un seul tube avec une pile près d'une extrémité. Les modèles à ondes mobiles, comme le moteur à stirling thermoacoustique, utilisent une boucle de rétroaction pour créer un flux oscillatoire continu, obtenant un rendement plus élevé en mimant le cycle thermodynamique du moteur à stirling sans nécessiter de piston de remplacement.

Comparaison avec les technologies de propulsion traditionnelles

Les systèmes de propulsion classiques, les moteurs à combustion interne, les turbines à gaz et les moteurs à fusée, sont en effet directement alimentés par des combustibles fossiles pour produire de la pression et de la chaleur, qui comportent des chambres de combustion à haute température, des trains à soupapes complexes, des turbomachines tournantes et des systèmes de refroidissement complexes, qui souffrent tous de l'usure, de la contrainte thermique et de la fatigue.

Les moteurs thermoacoustiques ont démontré une efficacité supérieure à 30 % dans les prototypes de laboratoire, et les conceptions d'ondes itinérantes ont approché 40 % avec des régénérateurs optimisés et des échangeurs de chaleur. Plus important encore, ils peuvent accepter la chaleur de presque toutes les sources — concentrateurs solaires, réacteurs nucléaires, chaleur résiduelle issue de procédés industriels, combustion de biomasse ou d'hydrogène — sans nécessiter de dispositifs d'injection spécifiques au combustible ou de contrôle des émissions.

Principaux avantages en détail

Complexité mécanique réduite

Avec peu ou pas de pièces mobiles dans la section chaude, les moteurs thermoacoustiques éliminent les modes de défaillance communs aux moteurs classiques : collage de valves, usure des anneaux de piston, fatigue du roulement et fluage des pales de turbine.

Flexibilité du carburant et avantages environnementaux

Le chauffage provenant d'une source externe, le moteur est découplé du processus de combustion du combustible. Il peut fonctionner sur la chaleur solaire, l'énergie géothermique, la chaleur concentrée des déchets des fours industriels, ou même les générateurs thermoélectriques radio-isotopes. Lorsque la combustion est utilisée, la chambre de combustion peut être optimisée séparément pour de faibles émissions, en utilisant la combustion maigre, l'oxydation sans flamme ou la capture de carbone.

Opération silencieuse

Les oscillations acoustiques génèrent un son à une seule fréquence ou à une bande étroite, qui peut facilement être étouffée ou même captée. Contrairement au bruit à large spectre des moteurs alternatifs ou des turbines à grande vitesse, les moteurs thermoacoustiques sont intrinsèquement plus silencieux, un avantage majeur pour les sous-marins, les prolongateurs électriques de la gamme des véhicules ou la production d'électricité urbaine.

Échelle et modularité

La physique des échelles thermoacoustiques est avantageuse sur une large gamme de tailles. Les appareils micrométriques peuvent produire des watts de puissance pour l'électronique portable, tandis que les installations multimégawatts ont été envisagées pour la production d'électricité à l'échelle de l'utilité.

Nouvelles applications dans les systèmes de propulsion

Propulsion spatiale

La propulsion traditionnelle des engins spatiaux repose sur des fusées chimiques ou des propulseurs ioniques, qui ont tous deux une impulsion élevée mais nécessitent des réservoirs de propergol lourds. Les moteurs thermoacoustiques peuvent être intégrés à des radiateurs radio-isotopes ou à une énergie solaire concentrée pour générer de petits niveaux de poussée pour des missions de maintien de la station, des réglages de l'orbite ou des CubeSat interplanétaires.

Aviation

Dans les avions, les moteurs thermoacoustiques pourraient servir d'unités de puissance auxiliaires (APU) ou d'extensions de gamme dans les architectures de propulsion hybride-électrique. En brûlant du carburant d'aviation durable dans un combustible externe, le moteur acoustique conduit un générateur qui charge des batteries ou alimente les moteurs électriques.

Propulsion maritime

Un cycle de mise à fond thermoacoustique pourrait augmenter l'efficacité globale en convertissant la chaleur d'échappement en puissance auxiliaire pour les pompes, l'électronique ou même l'arbre d'hélice. La capacité de brûler du mazout lourd, du GNL ou des biocarburants futurs sans modifier le moteur thermique lui-même simplifie le changement de carburant comme la réglementation se resserre.

Transports terrestres

Pour les camions, les trains et les véhicules hors route, les générateurs thermoacoustiques peuvent remplacer les alternateurs conventionnels ou fournir une puissance auxiliaire pour la réfrigération, les systèmes hydrauliques et le contrôle du climat de la cabine. Dans les trains hybrides, le moteur peut fonctionner à une charge optimale constante pendant que l'entraînement électrique gère les demandes de pointe, réduisant la consommation de carburant et les émissions.

Défis actuels et orientations de la recherche

Malgré les avantages indéniables, plusieurs obstacles techniques doivent être surmontés avant que la propulsion thermoacoustique ne devienne dominante.

Densité de puissance

La densité de puissance acoustique des moteurs thermoacoustiques courants est généralement inférieure à celle des moteurs à combustion interne ou des turbines de taille comparable. Le gaz de travail doit osciller entre les échangeurs de chaleur avec de grandes surfaces, augmentant l'empreinte. Les chercheurs explorent le fonctionnement à haute pression (jusqu'à 100 bar) et utilisent des matériaux légers tels que des composites à matrice céramique pour augmenter la puissance par unité de masse.

Conception de l'échangeur de chaleur

La performance d'un moteur thermoacoustique repose sur l'efficacité de ses échangeurs de chaleur chauds et froids. Ils doivent transférer de grandes quantités de chaleur avec une chute de pression minimale et une inertie thermique. Les techniques de fabrication additives avancées permettent désormais la fabrication de structures complexes de treillis qui améliorent le transfert de chaleur tout en réduisant le poids.

Matériel et coût

L'échangeur de chaleur et la pile doivent résister à des températures élevées (habituellement de 500 à 1000 °C) et à des cycles thermiques répétés. Les aciers inoxydables inutilisables sont adéquats pour la récupération de chaleur des déchets à basse température, mais les applications aérospatiales et spatiales nécessitent des superalliages ou des céramiques qui augmentent les coûts.

Pertes acoustiques et stabilité

Les pertes acoustiques dans le tube résonateur et la pile érodent l'efficacité. Les cavités des ondes de déplacement peuvent être conçues avec des réseaux d'impédance à faible perte acoustique, mais elles sont sensibles aux conditions de fonctionnement.

La voie à suivre

Des progrès importants ont été réalisés depuis les années 2010. Des entreprises comme Etalim (Canada) et SoundEnergy (Pays-Bas) ont commercialisé des dispositifs thermoacoustiques pour la récupération de la chaleur et des applications solaires thermiques, atteignant des niveaux de puissance dans la gamme 1-10 kW. Le département américain de l'énergie a financé des projets pluriannuels visant à développer des générateurs thermoacoustiques de classe mégawatt pour la chaleur et l'énergie industrielles combinées. Dans le cadre de la propulsion, l'Union européenne ULTIMATE projet explore un groupe motopropulseur hybride thermoacoustique-électrique pour les avions régionaux, visant à réduire de 30 % la combustion de carburant par rapport aux turbopropulseurs actuels.

À mesure que les coûts de fabrication diminuent et que l'efficacité s'améliore, les premiers systèmes de propulsion thermoacoustique prêts à la production pourraient apparaître sur les UAV et les petits satellites dans les cinq ans, avec des applications maritimes et ferroviaires plus importantes après une décennie.

Conclusion

Les moteurs thermoacoustiques offrent une façon fondamentalement différente de transformer la chaleur en travail mécanique, qui repose sur des ondes acoustiques au lieu de faire tourner ou de faire tourner des machines. Leur simplicité, leur flexibilité en carburant, leur faible émission et leur fonctionnement silencieux les rendent particulièrement attrayants pour les futurs systèmes de propulsion dans l'espace, l'air, le sol et la mer.