Écologique et efficace: Comment les moteurs Stirling thermoacoustiques transforment le secteur aérospatial

Les moteurs Stirling thermoacoustiques (TASE) peuvent sembler beaucoup à assimiler d’un seul coup. Mais, en principe, ils sont les équivalents acoustiques des moteurs Stirling. Ainsi, avant d’approfondir les TASE, nous devons commencer par les moteurs Stirling.

Qu’est-ce qu’un moteur Stirling ?

Le nom provient de son inventeur, le révérend Robert Stirling, qui a conçu un moteur à chaleur externe très différent des moteurs à combustion interne traditionnels utilisés dans les voitures. Il se distingue par son cycle de brassage, qui comporte trois caractéristiques principales.

• Les gaz utilisés à l’intérieur d’un moteur Stirling ne quittent jamais le moteur. Contrairement aux moteurs à 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.
• Comme il ne s’agit pas d’un moteur à combustion interne, il nécessite une source de chaleur externe. Cette source de chaleur peut être les rayons du soleil, la chaleur géothermique, l’essence ou l’énergie solaire. La chaleur peut même provenir d’une plante en décomposition.
• Enfin, il suffit d’un volant à hélice avec une rotation douce pour démarrer le moteur.

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

TASEs: Les équivalents acoustiques des moteurs Stirling

Les moteurs Stirling thermoacoustiques ont gagné en élan et en popularité dans le domaine de la recherche scientifique grâce à leur faible coût de fabrication, leur haute efficacité, leurs caractéristiques sans entretien et leurs capacités d’auto-démarrage.

L’une des catégories les plus populaires de moteurs Stirling thermoacoustiques est les moteurs thermiques Stirling thermoacoustiques ou TASHE. Ces dispositifs peuvent convertir la chaleur en puissance acoustique à un taux d’efficacité très élevé. Leur potentiel repose sur le fait qu’ils n’impliquent aucune pièce mobile, et que les composants sont relativement simples. Ces systèmes sont moins coûteux à fabriquer et à entretenir. Ils sont privilégiés par beaucoup comme moyen de produire 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 situé entre un échangeur de chaleur chaud (HHX) et un échangeur de chaleur froid ou ambiant. Ces positions aux deux extrémités aident à maintenir un gradient de température moyen dans la direction axiale. Les ondes acoustiques qui le traversent – avec la bonne phase – peuvent être amplifiées par un processus thermodynamique ressemblant à un cycle Stirling.

Pourquoi les moteurs Stirling thermoacoustiques sont-ils bénéfiques ?

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

Les communautés scientifiques ont envisagé l’utilisation de sources de carburant alternatives, y compris l’énergie solaire, l’énergie géothermique, les biocarburants/biomasse, les radioisotopes, et plus encore.

Dans ce scénario, les moteurs Stirling ont montré de bons résultats grâce à leur haute efficacité, leur cycle thermodynamique fermé, leur fonctionnement silencieux, leurs faibles vibrations, leur longue durée de vie et leur faible besoin d’entretien.

Il pourrait exister deux types de moteurs Stirling : le conventionnel et le avancé.

L'évolution des moteurs Stirling thermoacoustiques: Les innovations et percées

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

Nous avons déjà parlé des ondes acoustiques traversant le gradient entre les échangeurs de chaleur chauds et froids ou ambiants de chaque côté.

Jusqu’aux années 1980, l’efficacité de la plupart des conceptions dans ce domaine ne dépassait généralement pas 5 %. Marquant un tournant en 1979, une percée importante a été réalisée par Ceperley. Il a montré que les ondes progressives peuvent extraire l’énergie acoustique de manière plus efficace, ce qui a conduit au concept de conception des TASHE à ondes progressives utilisés 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 une amélioration supplémentaire de la technologie derrière les TASHE. En 2011, Tijani & Spolestra ont conçu un TASHE à ondes progressives qui a atteint une efficacité globale remarquable de 49% de la limite de Carnot. Pour mettre cela en contexte, la limite de Carnot fixe une limite absolue à l’efficacité avec laquelle l’énergie thermique peut être transformée en travail utile.

Dans le dernier development du domaine des TASE, la Chine a récemment développé un générateur Stirling thermoacoustique à haute efficacité, capable de fournir 140 ch ou 102 kW de puissance à partir d’une source de chaleur de 986 degrés Fahrenheit. Le développement provient des chercheurs du 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 un potentiel bouleversement grâce à sa polyvalence. Elle peut fonctionner avec une gamme de sources de chaleur différentes et pourrait changer la façon dont l’énergie est générée, offrant des solutions pour divers besoins énergétiques.

Selon l’équipe qui l’a innové, sa fiabilité, son design simple et sa compatibilité avec diverses sources de chaleur peuvent le faire concurrencer l’efficacité des turbines à vapeur. Le design du moteur élimine les vibrations du système et aide à maintenir un joint étanche. Cette innovation pourrait aider la Chine à créer des sous-marins ultra-silencieux et non nucléaires.

Une autre étude de 2017 a proposé la génération d’énergie Stirling thermoacoustique 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 du gaz hélium à 4 MPa capable de produire 2,3 kW d’électricité avec la plus haute exergy efficiency de 0,253 lorsque les extrémités froide et chaude sont maintenues à 110 K et 500 K.

L’évolution du moteur Stirling thermoacoustique en tant que solution pour introduire des niveaux supérieurs d’efficacité énergétique a été étudiée de près par des chercheurs et des technologues de haut niveau du monde entier. De nombreux travaux ont ensuite été réalisés sur le front des solutions d’entreprise à grande échelle.

Organisations exploitant les moteurs Stirling thermoacoustiques

1. NASA

NASA a réalisé des progrès significatifs dans le domaine des moteurs Stirling thermoacoustiques. La solution, connue sous le nom de Convertisseur de puissance thermoacoustique Stirling et Alternateur magnétostrictionnel, 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. Elle exploite des convertisseurs de puissance thermoacoustiques où le son est utilisé pour transformer la chaleur en énergie électrique. Le système utilise des pressions et des oscillations de volume entraînées par la chaleur provenant de sources thermo‑acoustiques pour alimenter des alternateurs piézoélectriques ou d’autres technologies de conversion d’énergie. Cet appareil est capable de générer 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, passant d’une forme torique à une disposition colinéaire droite. Cette innovation garantit que les systèmes futurs n’auront pas à dépendre de tubes mécaniques d’inertie et de conformité sujets aux pannes. L’objectif peut être atteint en utilisant la résonance acoustique grâce à des composants électroniques.

L’innovation a abouti à quelque chose d’efficace, fiable, à faible coût, compact et polyvalent. On peut l’utiliser dans la génération distribuée et les systèmes d’alimentation résidentiels, les systèmes de cogénération, 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 maritimes, ainsi que les unités d’alimentation auxiliaires.

2. SpaceX

Il est très probable que SpaceX (SPCX ), un autre géant de la technologie spatiale et aéronautique, explore bientôt les TASE. Cela pourrait les aider à obtenir une efficacité accrue dans la conversion de la chaleur en travail mécanique.

Des coûts de fabrication et d’entretien faibles pourraient permettre de concevoir des engins spatiaux plus légers à moindre coût. Cela aiderait également SpaceX à gérer la chaleur efficacement, avec des capacités de génération d’énergie améliorées lors de missions en espace profond.

Selon les rapports publiés à la mi-août 2023, le chiffre d’affaires en forte hausse de SpaceX l’a rendu rentable au premier trimestre 2023 après deux pertes annuelles. La société détenue par Elon Musk a généré 55 millions de dollars de bénéfice sur 1,5 milliard de dollars de chiffre d’affaires pendant la période de janvier à mars. Elle était évaluée à près de 150 milliards de dollars lors d’une récente vente d’actions aux employés.

3. Sierra Lobo, Inc.

Basée à Fremont, Ohio, Sierra Lobo, Inc., fournit des services spécialisés de test, d’évaluation et d’ingénierie spatiale et aérospatiale dans le monde entier. Elle a développé des moteurs thermiques Stirling thermoacoustiques complets qui peuvent fonctionner avec une variété de sources d’énergie/chaleur, avec une haute efficacité et fiabilité, sans pièces mobiles. Ils sont compacts et évolutifs et peuvent être utilisés dans des applications spatiales grâce à leur 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 production d’électricité pour les applications terrestres, sous-marines et spatiales. Ils peuvent simultanément produire de l’électricité et du refroidissement, entraîner un alternateur linéaire pour la génération d’électricité, ainsi qu’un réfrigérateur et un cryocooler pour la production de froid.

Défis et opportunités à venir

Les moteurs thermiques Stirling thermoacoustiques (TASE), une catégorie spécifique de moteurs Stirling, ont montré un grand potentiel pour développer des sources d’énergie adaptées aux voyages interstellaires. La NASA, notamment via son Glenn Research Center, a été à la pointe de l’exploitation de l’efficacité et des caractéristiques à faible entretien de cette technologie. On s’attend à ce que cette technologie progresse davantage, soutenant des systèmes d’alimentation qui pourraient être essentiels à de nombreux projets d’exploration spatiale, y compris potentiellement l’alimentation de bases sur la Lune et Mars.

Ces moteurs sont privilégiés pour leur capacité à offrir une très haute efficacité thermique‑électrique comparée à d’autres moteurs thermiques. L’absence de systèmes de roulements et de pièces mobiles dans les TASE réduit considérablement le risque de défaillance et les coûts de fabrication.

Cependant, pour devenir le choix le plus privilégié, il reste encore beaucoup de travail à accomplir pour affiner cette technologie. Les TASE rencontrent actuellement des défis liés au volume et au poids, principalement parce que leur conception, impliquant des échangeurs de chaleur aux points chaud et froid, aboutit à une structure plus encombrante et plus lourde que les moteurs à combustion interne traditionnels avec une puissance équivalente.

De plus, les TASE sont souvent confrontés à un démarrage plus lent en raison de l’inertie thermique inhérente. Leur utilisation 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, positionnant les TASE comme un composant crucial pour les opérations spatiales de haute technologie et au-delà.

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