Écologiques et efficaces : comment les moteurs Stirling thermoacoustiques changent la donne dans l'aérospatiale

Les moteurs thermoacoustiques Stirling (TASE) peuvent sembler beaucoup à digérer en une seule fois. Mais, en principe, ce sont des équivalents acoustiques des moteurs Stirling. Par conséquent, avant d’approfondir les TASE, nous devons commencer par les moteurs Stirling.

Qu'est-ce qu'un moteur Stirling ?

Le nom vient de son inventeur, le révérend Robert Stirling, qui a mis au point un moteur thermique externe très différent des moteurs à combustion interne traditionnels utilisés dans les voitures. Il se distingue par l’utilisation du cycle d’agitation, qui comporte trois caractéristiques principales. 

• Les gaz utilisés à l'intérieur d'un moteur Stirling ne quittent jamais le moteur. Contrairement aux moteurs essence ou diesel, ces moteurs n'ont pas de soupapes d'échappement pour évacuer les gaz à haute pression. Il n’y a pas non plus d’explosions. En conséquence, les moteurs Stirling sont très silencieux.
• Puisqu’il ne s’agit pas d’un moteur à combustion interne, il nécessite une source de chaleur externe. Et cette source de chaleur pourrait être les rayons du soleil, la chaleur géothermique, l’essence ou l’énergie solaire. La chaleur pourrait même provenir d’une plante en décomposition. 
• Enfin, tout ce dont vous avez besoin est une hélice à volant avec une rotation douce pour démarrer le moteur. 

Dans cette tradition de construction de moteurs Stirling viennent les moteurs Stirling thermoacoustiques ou TASE, les équivalents acoustiques des moteurs Stirling. 

TASE : les équivalents acoustiques des moteurs Stirling

Les moteurs thermoacoustiques Stirling ont gagné en popularité et en popularité dans le domaine de la recherche scientifique en raison de leur faible coût de fabrication, de leur rendement élevé, de leurs fonctionnalités sans entretien et de leurs capacités de démarrage automatique. 

L’une des catégories les plus populaires de moteurs Stirling thermoacoustiques sont les moteurs thermiques Stirling thermoacoustiques ou TASHE. Ces appareils peuvent convertir la chaleur en puissance acoustique avec un taux de rendement très élevé. Son potentiel réside dans le fait qu’il n’implique pas de pièces mobiles et que les composants sont relativement simples. Ces systèmes sont moins coûteux à fabriquer et à entretenir. Beaucoup le préfèrent comme moyen de générer une énergie propre et efficace. 

Comment fonctionnent les TASHE ?

Le processus de conversion d'énergie dans ces moteurs se déroule dans le régénérateur. Un régénérateur est un bloc métallique poreux entre un échangeur de chaleur chaud (HHX) et un échangeur de chaleur froid ou ambiant. De tels placements aux deux extrémités contribuent à maintenir un gradient de température moyen dans la direction axiale. Les ondes acoustiques qui s'y propagent – ​​avec la bonne phase – peuvent être amplifiées par un processus thermodynamique ressemblant à un cycle de Stirling. 

Pourquoi les moteurs Stirling thermoacoustiques sont-ils bénéfiques ?

La pénurie de combustibles fossiles constitue un défi auquel l’humanité sera confrontée à court terme. Les combustibles fossiles ne sont pas non plus bénéfiques pour la santé de la planète et soulèvent de nombreuses préoccupations en matière de durabilité. 

Les communautés scientifiques ont été envisager l’utilisation de sources alternatives de carburant, notamment l’énergie solaire, l’énergie géothermique, les biocarburants/biomasse, les radio-isotopes, etc. 

Dans ce scénario, les moteurs Stirling ont montré de bons résultats en raison de leur rendement élevé, de leur cycle thermodynamique fermé, de leur fonctionnement silencieux, de leurs faibles vibrations, de leur longue durée de vie et de leur faible maintenance. 

Il pourrait y avoir deux types de moteurs Stirling : les conventionnels et les avancés.

L'évolution des moteurs Stirling thermoacoustiques : les innovations et les avancées

Connaître l’histoire des TASE est crucial pour comprendre comment ils remplissent leur objectif et quelle a été la nature de la technologie. 

Nous avons déjà parlé des ondes acoustiques traversant le gradient entre les échangeurs de chaleur chaud et froid ou ambiant sur deux côtés. 

Jusque dans les années 1980, l'efficacité de la plupart des conceptions dans ce domaine ne dépassait généralement pas 5 %. Marquant un tournant en 1979, une percée significative a été réalisée par Ceperley. Il a montré que les ondes progressives peuvent extraire l’énergie acoustique plus efficacement, ce qui a conduit au concept de conception des TASHE à ondes progressives utilisé aujourd’hui. 

Ce qui se passe dans ce schéma plus efficace, c'est qu'une partie de la puissance acoustique générée retourne au régénérateur via une forme de boucle de rétroaction et, en partie, est dirigée vers un résonateur pour l'extraction d'énergie.

La première décennie du millénaire a vu de nouvelles améliorations de la technologie derrière les TASHE. En 2011, Tijani & Spolestra a conçu un TASHE à ondes progressives qui a atteint une efficacité globale remarquable de 49% de la limite de Carnot. Pour ajouter du contexte, la limite Carnot fixe une limite absolue à l’efficacité avec laquelle l’énergie thermique peut être transformée en travail utile.

Dans la dernière développementDans le domaine des TASE, la Chine a récemment développé un générateur Stirling thermoacoustique à haut rendement, capable de fournir 140 ch ou 102 KW de puissance à partir d'une source de chaleur de 986 degrés Fahrenheit. Le développement est venu des chercheurs travaillant à l’Institut technique de physique et de chimie de l’Académie chinoise des sciences. C'était la première fois qu'un tel générateur Stirling pouvait dépasser 134 ch ou 100 KW de puissance. 

Cette innovation chinoise est considérée par beaucoup comme susceptible de changer la donne en raison de sa polyvalence. Il peut être associé à une gamme de sources de chaleur différentes et pourrait modifier la manière dont l’énergie est générée, offrant ainsi des solutions à divers besoins énergétiques.

Selon l’équipe qui l’a innové, sa fiabilité, sa conception simple et sa compatibilité avec diverses sources de chaleur peuvent lui permettre de rivaliser avec l’efficacité des turbines à vapeur. La conception du moteur élimine les vibrations du système et aide à maintenir une étanchéité à l'air. Cette innovation pourrait contribuer à fabriquer des sous-marins chinois ultra-silencieux et non nucléaires. 

Une autre étude de 2017 a proposé la production d'énergie thermoacoustique de Stirling à partir de l'énergie froide du GNL et de la chaleur résiduelle à basse température. L'étude a abouti à la conception d'un générateur Stirling thermoacoustique fonctionnant avec de l'hélium gazeux de 4 MPa, capable de générer une puissance électrique de 2.3 kW avec la puissance la plus élevée. efficacité exergétique de 0.253 lorsque les extrémités froide et chaude sont maintenues à 110 K et 500 K. 

L'évolution du moteur thermoacoustique Stirling en tant que solution permettant d'introduire des niveaux plus élevés d'efficacité énergétique a été étudiée de près par des chercheurs et des technologues haut de gamme du monde entier. Et beaucoup de travail a ensuite été réalisé sur le front des solutions d’entreprise à grande échelle. 

Organisations tirant parti des moteurs Stirling thermoacoustiques

1. NASA

La NASA a réalisé des progrès significatifs dans le domaine des moteurs thermoacoustiques Stirling. La solution, connue sous le nom de convertisseur de puissance thermoacoustique Stirling et d'alternateur magnétostrictif, élimine toutes les pièces mobiles pour une efficacité et une fiabilité maximales. 

Nouvelle technologie développée par le Glenn Research Center de la NASA

Cette technologie rend les moteurs Stirling plus efficaces et moins coûteux. Il exploite des convertisseurs de puissance thermoacoustiques où le son est utilisé pour transformer la chaleur en énergie électrique. Le système utilise des pressions thermiques et des oscillations de volume provenant de sources thermo-coustiques pour alimenter des alternateurs piézoélectriques ou d'autres technologies de conversion de puissance. Cet appareil est capable de produire de l’électricité avec une efficacité inégalée. 

L'impact de l'innovation de la NASA a été considérable. Le convertisseur de puissance thermoacoustique a contribué à remodeler le moteur Stirling conventionnel d'une forme toroïdale à un agencement colinéaire droit. Cette innovation garantit que d’autres systèmes n’auront pas à dépendre de tubes d’inertie et de conformité mécaniques sujets aux pannes. L'objectif peut être atteint en utilisant la résonance acoustique en utilisant des composants électroniques. 

L’innovation a abouti à quelque chose d’efficace, fiable, peu coûteux, compact et polyvalent. On peut l'utiliser dans les systèmes de production distribuée et résidentiels, les systèmes de production combinée de chaleur et d'électricité, la production d'énergie solaire concentrée, les véhicules électriques hybrides, les systèmes de réfrigération, les pompes à chaleur, les systèmes d'alimentation sous-marins et marins et les unités d'alimentation auxiliaires. 

2. SpaceX

Il est fort probable que SpaceX, un autre géant des technologies spatiales et aéronautiques, explore prochainement les TASE. Cela pourrait les aider à améliorer leur efficacité dans la conversion de la chaleur en travail mécanique. 

De faibles coûts de fabrication et de maintenance pourraient permettre de produire des engins spatiaux plus légers et à moindre coût. Cela aiderait également SpaceX à gérer efficacement la chaleur, avec des capacités améliorées de production d’électricité dans les missions dans l’espace lointain. 

D’après (lire ici) Publié mi-août 2023, la hausse des revenus de SpaceX l'a rendu rentable au premier trimestre 1 après deux pertes annuelles. La société appartenant à Elon Musk a généré 2023 millions de dollars de bénéfices sur un chiffre d'affaires de 55 milliard de dollars au cours de la période janvier-mars. Elle a été évaluée à près de 1.5 milliards de dollars lors d'une récente vente d'actions par les salariés.

3. Sierra Lobo, Inc.

Basé à Fremont, Ohio, Sierra Lobo, Inc., fournit des services spécialisés d'essais, d'évaluation et d'ingénierie spatiaux et aérospatiaux dans le monde entier. Elle a développé des moteurs thermiques Stirling thermoacoustiques à part entière, capables de fonctionner avec diverses sources d'énergie/chaleur, avec un rendement et une fiabilité élevés, et ne contenant aucune pièce mobile. Il est compact et évolutif et peut être utilisé dans des applications spatiales pour son fonctionnement indépendant de la gravité. 

Ces moteurs thermiques devraient trouver des applications dans de nombreux domaines, notamment la génération de puissance acoustique et d’ondes de pression, ainsi que la génération d’électricité pour des applications au sol, sous-marines et dans l’espace. Il peut produire simultanément de l'énergie électrique et de l'énergie de refroidissement, piloter un alternateur linéaire pour la production d'énergie électrique, ainsi qu'un réfrigérateur et un refroidisseur cryogénique pour la production de froid. 

Défis et opportunités à venir

Les moteurs thermiques thermoacoustiques Stirling (TASE), une catégorie spécifique de moteurs Stirling, ont montré un grand potentiel dans le développement de sources d'énergie adaptées aux voyages dans l'espace lointain. La NASA, notamment par l'intermédiaire de son centre de recherche Glenn, a été à l'avant-garde en matière d'exploitation de l'efficacité et de la faible maintenance de cette technologie. Cette technologie devrait encore progresser, prenant en charge des systèmes électriques qui pourraient jouer un rôle déterminant dans de nombreux projets d’exploration spatiale, notamment l’alimentation de bases sur la Lune et sur Mars.

Ces moteurs sont préférés pour leur capacité à offrir un rendement thermique-électrique très élevé par rapport aux autres moteurs thermiques. L'absence de systèmes de roulements et de pièces mobiles dans les TASE réduit considérablement le risque de défaillance et les dépenses de fabrication.

Cependant, pour devenir le choix le plus privilégié, il reste encore beaucoup à faire pour perfectionner cette technologie. Les TASE sont actuellement confrontés à des problèmes de volume et de poids, principalement parce que leur conception, impliquant des échangeurs de chaleur aux points chauds et froids, donne lieu à une formation plus volumineuse et plus lourde que les moteurs à combustion interne traditionnels à puissance de sortie équivalente.

De plus, les TASE sont souvent confrontés à un démarrage plus lent en raison de l'inertie thermique inhérente. Leur application est limitée dans les scénarios nécessitant des démarrages rapides ou des changements de vitesse rapides. Néanmoins, les innovations technologiques en cours visent à surmonter ces défis, en positionnant les TASE comme un élément crucial pour les opérations spatiales de haute technologie et au-delà.

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