Un drone avec une cage de Faraday déclenche et dirige les coups de foudre

En première mondiale, des chercheurs japonais ont fait voler un drone résistant à la foudre lors d'un orage, l'utilisant pour provoquer et diriger la foudre naturelle. L'équipe étudie actuellement comment ce paratonnerre volant pourrait capter et stocker l'énergie de la foudre.

Comme on peut s'y attendre, un coup de foudre moyen contient une quantité considérable d'énergie ; Real Clear Science l'estime à environ un milliard de joules. Cela équivaut à environ 278 kilowattheures, soit de quoi recharger une Hyundai Ioniq 6 standard près de six fois. Il y a environ 1,4 milliard de coups de foudre chaque année dans le monde, soit environ 44 par seconde, ce qui représente quelque 383,6 térawattheures d'électricité jaillissant du ciel gratuitement. Cela représente près de 1,5 % de la consommation mondiale d'électricité (aux niveaux de 2023) – et une ressource considérable si nous pouvions la capter.

Nous ne vous recommandons pas d'essayer ; selon le Met Office britannique , un éclair typique est épais comme un pouce, long de 3 à 5 km, et l'air qui l'entoure est environ cinq fois plus chaud que la surface du soleil. Selon certaines estimations , environ 240 000 personnes sont frappées par la foudre chaque année, et si 90 % d'entre elles survivent, ce n'est certainement pas une partie de plaisir. Et ce n'est que le coût humain : les dommages matériels causés par la foudre représentent un milliard de dollars par an pour les assurances, rien qu'aux États-Unis.

Au Japon, ce chiffre se situe entre 0,7 et 1,5 milliard de dollars par an. L'opérateur de télécommunications japonais NTT dispose de nombreuses infrastructures exposées à ce type de dommages ; c'est pourquoi une équipe a été créée pour déterminer comment atténuer ou prévenir les dommages causés par la foudre, notamment dans les endroits où l'installation de paratonnerres traditionnels peut s'avérer difficile.

L'équipe NTT a mis au point une solution aérienne remarquable, sous la forme d'un drone multicoptère qui a l'air absolument fou :

Ce drone expérimental « résistant à la foudre » semble vraiment sérieux. Malheureusement, le budget de NTT ne permettait pas d'acquérir un appareil photo numérique moderne ; cette image a donc probablement été prise avec une pomme de terre.

Les éléments clés qui distinguent cette machine d'un quadricoptère industriel standard sont :

• Une cage de Faraday en métal « résistante à la foudre » qui redirige la foudre autour du drone lorsqu'il est frappé et dirige ce flux de courant massif radialement, pour annuler les puissants effets de champ magnétique qui peuvent être générés.
• Un fil de terre conducteur de plus de 300 mètres de long, avec un interrupteur haute tension en bas.
• Un ensemble de paratonnerres pointus en forme d'antenne dépassant du haut, probablement conçus pour maximiser les chances d'un coup de foudre net et le diriger proprement à travers la cage jusqu'au fil de terre.

Voici comment l'expérience s'est déroulée : l'équipe NTT a attendu un orage propice, qui s'est déclaré en décembre. Lorsque l'intensité du champ électrique au sol a indiqué qu'un coup de foudre était imminent, ils ont lancé le drone, l'ont fait voler jusqu'à une altitude de 300 m et l'ont maintenu en vol stationnaire, fil de terre coupé, dans le champ électrique intense de l'orage, créant une importante différence de charge entre le drone en haut et le fil non mis à la terre en bas.

Le dispositif expérimental. Le drone est relié par une poulie à un treuil, lui-même relié par un interrupteur de masse à une borne de terre à faible résistance. Au-dessus du treuil, un « moulin à champ » est représenté : un appareil qui mesure les champs électriques.

Lorsqu'ils ont actionné l'interrupteur, cette charge a soudainement trouvé un chemin facile vers le sol. Une tension de plus de 2 000 volts a été générée entre le fil et le sol, créant de puissantes fluctuations du champ électrique dans l'air autour du drone.

Cela a déclenché un éclair provenant du nuage d'orage au-dessus, qui a partiellement fait fondre la cage de Faraday entourant le drone. L'équipe a observé des éclairs bleus et des craquements provenant du treuil du câble d'attache au niveau du sol, mais le drone est resté stable et en vol tout au long de l'expérience.

Des éclairs bleus provenant du treuil, judicieusement captés à distance. Vous devrez créer vos propres sons.

L'équipe de NTT affirme que c'est « la première fois au monde qu'un drone parvient à induire et à guider la foudre grâce aux fluctuations du champ électrique ». Elle espère développer cette technologie de paratonnerre volant pour en faire un système déployable afin de protéger les villes et les infrastructures de la foudre, notamment les structures comme les stades extérieurs et les éoliennes, qui ne peuvent pas être facilement protégées par l'intégration de paratonnerres dès leur conception.

Capturer la foudre comme source d'énergie propre et ambiante

L'équipe NTT indique qu'elle va également tenter de capter l'énergie de ces éclairs. « De plus, » indique un communiqué de presse, « nous travaillerons également à la recherche et au développement de méthodes de stockage de l'énergie de la foudre, afin de stocker et d'exploiter l'énergie de la foudre induite. »

Une itération future potentielle (mais hautement improbable) de la conception consisterait à faire fonctionner plusieurs drones dans une configuration d'essaim, envoyant la foudre jusqu'au sol en plusieurs étapes, puis en capturant l'énergie

Les défis impliqués devraient être assez évidents : là où les chargeurs rapides de véhicules électriques les plus puissants au monde peuvent fournir une batterie pleine à partir de zéro en quelques minutes, un coup de foudre projette plusieurs fois cette énergie dans le fil de terre en un clin d'œil.

Oubliez donc l'idée d'injecter toute cette énergie dans une batterie lithium d'un seul coup, à moins de vouloir un spectacle pyrotechnique onéreux et explosif. Un grand nombre de supercondensateurs de très haute puissance pourraient peut-être supporter ce genre d'abus, mais ils sont tellement plus volumineux et lourds que les batteries lithium par wattheure de capacité énergétique qu'il faudrait probablement les transporter dans un ou deux semi-remorques.

Ce serait vraiment décevant pour une technologie qui doit vraiment être portable dans une certaine mesure ; si ce n'est pas le cas, elle restera là sans rien faire pendant la grande majorité du temps, lorsqu'il n'y a pas d'orage immédiatement au-dessus.

On ne pourrait pas non plus simplement envoyer l'énergie de la foudre directement dans le réseau électrique ; les réseaux sont conçus pour une transmission d'énergie relativement fluide et stable, et non pour gérer des pics de puissance instantanés de plus de 100 millions de volts et 30 000 ampères.

En supposant que les fils de transmission ne chauffent pas et ne se vaporisent pas assez vite pour éviter des dégâts plus importants, vous feriez certainement exploser au moins quelques transformateurs. Ceux-ci sont généralement remplis d'huile de refroidissement, ce qui les transforme en d'impressionnantes bombes à huile lorsqu'ils explosent. De nombreuses vidéos amusantes sur YouTube montrent à quoi cela ressemble :

La foudre frappe un transformateur

Donc, si les chercheurs de NTT veulent sérieusement comprendre comment mettre en bouteille la foudre et l'utiliser comme source d'énergie propre, ils auront du pain sur la planche ; ils auront besoin d'une sorte de système tampon gigantesque capable de capturer un pic d'énergie instantané aussi énorme et de l'injecter ensuite dans un système de stockage ou dans le réseau lui-même d'une manière plus civilisée.

Bonne chance, les gars ! On ne va pas s'arrêter là.

Le paratonnerre volant qu'ils ont conçu et testé est déjà impressionnant en soi et pourrait certainement trouver des applications pour protéger différents types d'infrastructures. Un projet vraiment intéressant !

Source : NTT