Aéronautique : comment le graphène répond aux défis du secteur ?

Aéronautique : comment le graphène répond aux défis du secteur ? Le graphène 2 janvier 2024

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Face au réchauffement climatique, l’aéronautique est en proie à une véritable crise environnementale et doit atteindre l’objectif de neutralité carbone d’ici 2050, un challenge considérable pour toute la filière.

Grâce à ses multiples propriétés, le graphène coche toutes les cases pour répondre aux problématiques du secteur aéronautique : décarbonation par l’allègement des structures, mais aussi d’autres performances telles que l’anti-foudre grâce à sa conductivité électrique, le dégivrage grâce à ses caractéristiques thermiques ou encore la protection des équipements grâce à ses propriétés anticorrosion.  

Zoom sur l’urgence de la décarbonation de la filière aéronautique et les applications du graphène pour des avions plus légers et performants.

La décarbonation de l’aviation : un enjeu majeur

L’avion présente une combinaison unique entre rapidité et distance parcourue.

Cependant, le transport aérien est responsable d’environ 3% des émissions de CO2 à l’échelle mondiale et de près de 6% du réchauffement climatique

Devant l’urgente nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre, des mesures ont été prises fin 2022 par les 190 états membres de l’OACI (Organisation de l’Aviation Civile Internationale) afin d’atteindre l’objectif de neutralité carbone à l’horizon 2050.

Les avions doivent atteindre la neutralité carbone d'ici 2050
L’aéronautique doit atteindre l’objectif de neutralité carbone d’ici 2050

Pour y parvenir, plusieurs axes entrent en considération :

  • L’utilisation de carburants durables ou alternatifs : agro-carburants, hydrogène, etc.
  • Le développement d’appareils à propulsion électrique
  • Le recours à de nouveaux matériaux afin d’alléger les appareils et diminuer la consommation en kérosène

Concernant la mise en place d‘avions « verts », c’est-à-dire électriques ou fonctionnels grâce aux carburants durables, cette solution n’est pas encore pleinement exploitable. D’une part car les développements sont encore en cours et d’autre part car les coûts associés restent très élevés (le prix d’une tonne de SAF –Sustainable Aviation Fuel–  est environ cinq fois plus élevé que celui d’une tonne de kérosène).

Au niveau des avions électriques, là aussi le sujet n’est pas encore d’actualité car les développements requièrent énormément de temps et pour le moment, le surpoids des avions liés aux batteries ne permet pas de réaliser des vols moyens et longs courriers en 100% électrique (source : Safran).

Reste alors la solution plus rapide et moins coûteuse à mettre en place de remplacer les matériaux traditionnels par des matériaux avancés, plus performants et légers, à l’instar du graphène

Le graphène pour soutenir la décarbonation du secteur aérien

Côté légèreté, le graphène permet de réduire le poids global des avions, entraînant une baisse considérable de la consommation en carburant. D’après Elmar Bonnacursot (l’Aeronautics Champion du Graphene Flagship), « chaque kilogramme en moins permet d’économiser deux tonnes de kérosène, soit six tonnes de CO2 évitées tout au long de la vie opérationnelle de l’avion.  »

Selon le Graphene Council, le graphène entraîne une diminution de 20 à 30% du poids de l’appareil, sans aucun compromis sur les autres performances attendues. De plus, il a été prouvé que le graphène rend plus légers et solides les plastiques renforcés de fibres de carbone (PRFC), tout en offrant une meilleure résistance aux chocs, de l’ordre de 60%. Le graphène est ainsi le matériau présentant le meilleur ratio masse/propriétés mécaniques.

Ce potentiel a été démontré par Carbon Waters sur des polymères largement utilisés dans le secteur aéronautique, via des tests réalisés à la fois en interne ainsi qu’auprès de plusieurs partenaires et clients. Ces résultats permettent de proposer des produits améliorant le comportement thermomécanique des composites et répondant à l’enjeu d’allègement des matériaux, à travers ses gammes Graph’Up Resist et Graph’Up Force.

Avantages du graphène pour le secteur aéronautique
Le graphène présente de multiples avantages pour l’aéronautique

Quels sont les autres avantages du graphène pour l’aéronautique ?

En plus de la légèreté et du renforcement mécanique que permet le graphène, il présente également d’autres avantages, tels qu’une excellente conductivité thermique et électrique, exploitable pour des coatings fonctionnalisés tels que des peintures conductrices ou pour améliorer les performances de fluides caloporteurs. La multifonctionnalité du graphène en fait le matériau idéal pour répondre aux différentes problématiques du secteur aéronautique.

Le graphène comme booster de performance anticorrosion

Par ailleurs, le graphène est un excellent agent anticorrosion permettant d’allonger la durée de vie des revêtements. La gamme Graph’Up Oxi a été spécialement conçue à cet effet. Grâce à leurs propriétés barrières, les additifs Graph’Up Oxi protègent ainsi toutes les parties de l’avion de la corrosion, y compris celle d’origine chimique (kérosène, agents de dégivrage, etc.).

Performants seuls, ils maximisent les performances anticorrosion utilisés en synergie au sein de formulations additivées en zinc. Ainsi, le coating est applicable en couche plus mince, augmentant encore la légèreté des avions. 

Le graphène comme solution intégrée de dégivrage

Par effet Joule, le graphène offre une solution thermoélectrique permettant d’empêcher l’apparition du givre ou bien de l’éliminer, sans affecter les propriétés aérodynamiques. Un axe largement investigué par plusieurs acteurs, dont le Graphene Flagship à travers son Spearhead Project (GICE). Mené par Airbus et Sonaca, ce projet qui touche à sa fin a pour objectif de porter des systèmes de dégivrage enrichis en graphène au niveau de maturité technologique 6 (TRL6).

De tels systèmes permettront d’éviter l’utilisation de dégivrants chimiques tel le glycol sur le tarmac, responsables de l’immobilisation prolongée au sol des appareils. Par ailleurs, le remplacement des dégivrants traditionnellement utilisés par une autre méthode de dégivrage évitera les rejets de composés chimiques dans l’air, susceptibles d’être inhalés par les personnes à proximité (personnel, voyageurs, populations alentours, etc.).

Le graphène comme protecteur anti-foudre

Le graphène permet de sécuriser encore mieux les avions en cas de foudre

Actuellement, les composites intégrant des mailles de cuivre sont majoritairement utilisés en aéronautique afin de protéger les avions de la foudre. Une solution efficace mais qui présente néanmoins quelques inconvénients. Premièrement, ces composites entraînent une hausse du poids global de l’avion. Deuxièmement, ils sont complexes et longs à mettre en œuvre, le procédé étant difficilement automatisable.

Matériau léger, le graphène présente également une excellente conductivité électrique permettant de redistribuer l’énergie reçue au point d’impact. Cela en fait une solution intéressante pour les systèmes de protection contre la foudre. En remplaçant la maille de cuivre dans les composites par des résines conductrices, notamment grâce au graphène, les avions sont ainsi dotés d’une solution de protection contre la foudre plus simple à mettre en œuvre.

Grâce à ses multiples propriétés, le graphène permet d’accompagner le secteur aéronautique vers son objectif de neutralité carbone tout en offrant de nombreuses autres performances recherchées par le secteur. En plus des applications détaillées dans cet article, le graphène améliore également les performances de résistance au feu des matériaux tout en offrant une excellente conductivité thermique ou encore de l’EMI shielding.

Pour toute question concernant l’utilisation du graphène dans le secteur aéronautique :

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