Très peu d’avions expérimentaux ont réussi l’exploit de dépasser la vitesse hypersonique, c’est-à-dire de voler au-delà de Mach 5 (6 100 km/h). C’est par exemple le cas du prototype d’avion sans pilote hypersonique X-43 Scramjet qui a établi un record en 2004 en dépassant les 10 000 km/h.
Si le vol hypersonique est indubitablement une technologie disruptive, voler à de telles vitesses a l’inconvénient de produire une chaleur extrême.
La communauté scientifique propose une solution pragmatique à ce problème : utiliser un carburant capable à la fois de propulser l’avion et d’absorber la chaleur. Des carburants de ce type sont déjà envisagés, mais ils ont l’inconvénient de reposer sur des réactions endothermiques qui nécessitent l’utilisation de catalyseurs à haute performance, aussi coûteux qu’indispensables.
Une structure lattice imprimée en 3D et revêtue d’un catalyseur de type zéolithe
En plus du problème du catalyseur, il y a celui des échangeurs thermiques. Dans un avion hypersonique, il y a de fortes contraintes de volume et de poids. Impossible donc d’utiliser des échangeurs thermiques de grande dimension pour maximiser le transfert de chaleur : la miniaturisation est donc obligatoire.
Les chercheurs du RMIT se sont naturellement tournés vers la fabrication additive métallique (SLM) pour concevoir des échangeurs thermiques à structure lattice. Les chercheurs ont utilisé une poudre d’Inconel 625 pour fabriquer cet échangeur à l’échelle du laboratoire.
L’équipe du RMIT a ensuite revêtu cet échangeur d’un catalyseur de type zéolithe, par immersion dans des suspensions composées de particules catalytiques. Ils ont utilisé un liant inorganique pour améliorer la mise en suspension des particules et un liant organique pour une meilleure pénétration dans la structure, afin de combler les vides entre les particules les plus grosses.
L’ensemble du processus est décrit dans le papier publié dans le journal Chemical Communications.
Un mélange de particules métalliques et de zéolithe particulièrement efficace
Lorsque ces structures imprimées en 3D subissent un traitement thermique, il se produit un phénomène particulièrement intéressant : quelques particules métalliques viennent migrer au sein de la structure en zéolithe. C’est ce phénomène qui est à l’origine de l’efficacité de ce nouveau type de catalyseurs.
Roxanne Hubesch, première autrice de cette publication et chercheuse au RMIT, est enthousiaste : « C’est une nouvelle direction passionnante pour la catalyse, mais nous avons besoin de plus de recherches pour avoir une complète compréhension du processus et identifier la meilleure combinaison d’alliages métalliques », déclare-t-elle dans un communiqué de presse.
Par ailleurs, les applications potentielles de ce type de catalyseur sont nombreuses. Contrôle antipollution pour les véhicules, traitement et purification de l’air… sont autant de pistes intéressantes.
Pour les chercheurs du RMIT, la prochaine étape concerne l’optimisation des catalyseurs, notamment en utilisant des méthodes d’analyse comme le synchrotron à rayons X.
Image de Une : Le prototype d’avion hypersonique X-43A, développé dans le cadre du programme Hyper-X de la NASA (crédit : NASA)
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