Des chercheurs de l'Université de Toronto affirment que leur technologie de capteurs légers pourrait éliminer le besoin de liquide de dégivrage toxique pour avions.
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Le capteur nanogénérateur triboélectrique peut détecter en temps réel la formation, la fonte et le détachement de la glace sur les surfaces, et pourrait théoriquement aussi être utilisé pour la faire fondre.
Une technologie de détection du givre mise au point par des chercheurs de l'Université de Toronto pourrait accélérer le processus de dégivrage des aéronefs et autres véhicules aérospatiaux, contribuant ainsi à prévenir des retards de vol coûteux.
Dans un article publié dans la revue Advanced Materials , des chercheurs du laboratoire Durable Repellent Engineered Advanced Materials (DREAM) décrivent comment leur capteur nanogénérateur triboélectrique (TENG) peut détecter la formation, la fonte et le détachement de la glace sur les surfaces – et fournir ces informations en temps réel en utilisant très peu d'énergie.
Le laboratoire est dirigé par Kevin Golovin , professeur agrégé de génie mécanique et industriel à la Faculté des sciences appliquées et de génie.
« À notre connaissance, il s’agit du premier système de détection de glace triboélectrique de ce type décrit dans la littérature scientifique », déclare Kamran Alasvand Zarasvand , chercheur postdoctoral , chercheur principal et auteur de l’article.
« Le capteur TENG se compose de deux couches : une électrode métallique et un fin revêtement diélectrique en plastique. Lorsqu’un autre matériau entre en contact avec ce revêtement puis s’en sépare, ils échangent des charges, produisant un signal électrique bref. Le signal varie selon l’événement : la formation de glace génère un signal, tandis que la fonte et le détachement de la glace en créent un autre. »
La plupart des systèmes de détection de glace existants ne peuvent détecter la glace qu'à un endroit précis ; ainsi, la glace qui se forme à quelques centimètres seulement du capteur peut passer inaperçue. Alasvand Zarasvand explique que, contrairement à ce qui se passe, le capteur triboélectrique est beaucoup plus fiable car il forme une couche continue sur la surface.
« Il est extrêmement léger : seulement deux fines couches, simple à fabriquer et peut être appliqué sur n'importe quelle surface – même des géométries complexes, comme les ailes d'avion ou les pales d'éoliennes. »
Le capteur peut également détecter la fissuration ou le détachement de la glace de la surface.
« En fonction du signal et de la température, nous pouvons également distinguer différents types de précipitations, comme le givre – qui se forme lorsque les avions volent à travers le brouillard ou les nuages – ou la pluie verglaçante, qui est la plus dangereuse pour les aéronefs », explique Alasvand Zarasvand.
« La glace peut endommager les véhicules comme les avions de diverses manières, ce qui peut entraîner leur immobilisation au sol ou nécessiter des travaux d'entretien, et engendrer des coûts et des retards supplémentaires pour les voyageurs. »
Grâce à sa légèreté et à sa polyvalence, ce revêtement peut être appliqué sur de nombreuses surfaces, y compris les petits drones, où Alasvand Zarasvand entrevoit un potentiel important.
« Les accidents de drones par temps froid sont fréquents. Les drones utilisés pour l'inspection commerciale des lignes électriques ou pour la livraison d'aide humanitaire dans les régions isolées ont besoin d'un système de détection de givre fiable », explique-t-il. « Notre système réagit en moins d'une milliseconde, ce qui permet aux drones d'atterrir avant que le givrage ne provoque un accident. »
Contrairement aux aéronefs de plus grande taille qui subissent des essais approfondis en conditions réelles, Alasvand Zarasvand explique que la plupart des tests actuels de givrage des pales de drones sont effectués en conditions simulées. Les pales sont fixées à un moyeu rotatif dans une soufflerie givrante où la glace s'accumule sur toute leur surface, ce qui ne correspond pas aux conditions de vol réelles.
« Un drone est extrêmement sensible au givrage et s'écrasera bien avant qu'une quantité importante de glace ne s'accumule. »
Si nous pouvons éviter les atterrissages d'urgence des aéronefs et le recours au dégivrage, cela aura un impact réel.
Pour évaluer plus précisément l'impact du gel sur un drone et l'efficacité de ses capteurs, Alasvand Zarasvand a fait voler le drone devant un système de buses pulvérisant de l'eau à des températures connues, tout en maintenant l'environnement en dessous de zéro. Dès que le gel a commencé à se former, le drone s'est écrasé peu de temps après.
« L’une des surprises de nos recherches a été de constater à quel point les drones étaient vulnérables par temps froid. Même une très fine couche de glace sur une pale de drone provoquait des accidents. »
Une autre caractéristique qui distingue ce nouveau capteur est son potentiel de chauffage. Alasvand Zarasvand espère que la couche d'électrodes pourra également servir de système de dégivrage électrothermique pour faire fondre la glace une fois détectée.
« Dès que le système détecte la formation de glace, une fonction de chauffage peut être activée jusqu'à ce que le capteur indique que la glace a fondu », explique-t-il. « Cela permet de réaliser des économies d'énergie, car il n'est pas nécessaire de laisser le chauffage allumé en permanence. »
Actuellement, le dégivrage des avions à l'aide de liquide est une opération coûteuse et chronophage. En hiver, les voyageurs subissent souvent des retards de vol pendant le traitement des appareils avec une solution de dégivrage toxique pour la faune.
Alasvand Zarasvand espère que son système permettra aux compagnies aériennes et aux passagers de gagner du temps et de l'argent, tout en offrant une méthode plus sûre et plus respectueuse de l'environnement pour détecter et éliminer la glace.
« Si nous pouvons éviter les atterrissages d'urgence des aéronefs et le recours au dégivrage, alors l'impact sera réel », déclare-t-il.
Des recherches supplémentaires sont prévues, notamment des essais de drones en extérieur, l'intégration du chauffage et de la détection, et l'adaptation du système à différentes applications.
« Avec un engin comme un drone, il faut vraiment se concentrer sur la légèreté des capteurs, alors que si vous créez le revêtement d'une éolienne, ce n'est pas une préoccupation aussi importante », explique-t-il.
« Ce que nous avons réalisé n'est qu'une première étape, et maintenant que nous savons que ce système fonctionne, il sera passionnant d'aller plus loin. »