Contexte et enjeux

Skylife Engineering coordonne un projet européen visant à mener des recherches sur une nouvelle technologie basée sur des semi-conducteurs en diamant, qui permettra de relever certains des principaux défis liés à l’électrification des aéronefs, compte tenu des problèmes techniques pouvant découler de l’utilisation de l’électricité à haute altitude.

Les préoccupations liées aux effets du changement climatique ont également un impact sur l’industrie aéronautique. En conséquence, on observe une demande croissante en faveur d’une aviation propre, reposant sur l’utilisation d’avions sans émissions polluantes. Les avions électriques prennent ainsi de plus en plus d’importance, l’objectif étant d’atteindre zéro émission de dioxyde de carbone. La Commission européenne s’efforce de faire avancer cette orientation grâce à des programmes tels que Clean Sky 2, dont fait partie ce projet.

Les progrès réalisés ces dernières années dans le domaine des semi-conducteurs de puissance favorisent leur application dans le secteur de la propulsion électrique. La quantité d’énergie gérée par le système électrique devrait augmenter au cours de la prochaine décennie. On passera ainsi d’une faible puissance de quelques mégawatts pour les petits avions à une puissance plus importante, de plusieurs dizaines de MW, pour les avions long-courriers. Cette technologie permettant de gérer une telle quantité d’énergie est bien connue dans le cas des réseaux de distribution électrique terrestres classiques. Cependant, les concepts et les composants ne peuvent pas être directement transposés à l’aéronautique. Le problème réside ici dans les contraintes de taille et de poids requises, ainsi que dans le fait que les avions volent à haute altitude. Cela implique une pression et une densité de l’air plus faibles.

L’évolution du système de gestion de l’énergie électrique des aéronefs vers une puissance accrue est fondamentale pour les années à venir. Dans ce contexte, le projet DCADE vise à évaluer l’utilisation de technologies potentielles qui permettront de disposer de convertisseurs à tension plus élevée tout en conservant la densité de puissance et les techniques de détection de l’arc électrique, afin d’accroître la sécurité des systèmes.

DCADE se concentrera sur deux technologies : l’électronique de puissance et la distribution de l’électronique de puissance. Le projet développera deux démonstrateurs. Le premier sera mis en œuvre au siège de Skylife Engineering, au Parc scientifique et technologique de Cartuja. L’autre sera réalisé dans les installations de l’IRTSE à Toulouse (France).

Notre proposition

DCADE est financé par des fonds de l’Union européenne dans le cadre du programme Clean Sky 2 et a pour objectif ultime de progresser vers une aviation plus propre grâce au développement d’avions davantage électriques et, par conséquent, à zéro émission.

L’objectif général de DCADE est l’évaluation de technologies et de composants potentiels pour des systèmes électriques destinés à des applications aéronautiques, qui permettront d’utiliser des convertisseurs à tension plus élevée tout en conservant la densité de puissance, ainsi que des techniques de détection d’arc électrique qui renforceront la fiabilité et la sécurité des systèmes de distribution d’air conditionné à haute altitude, haute puissance et haute tension.

Ce projet, doté d’un budget de près de 1,26 million d’euros, mettra en œuvre l’utilisation de technologies pour le développement de systèmes de distribution d’énergie électrique à haute altitude. Il bénéficie également de la participation des organismes français IRT Antoine de Saint-Exupéry, Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et DiamFab.

L’IRT Antoine de Saint-Exupéry est l’organisme chargé de faire progresser la détection des arcs électriques dans les systèmes de distribution d’énergie haute tension destinés aux aéronefs. Dans le domaine de l’électricité, les arcs électriques désignent, en termes simplifiés, des décharges électriques se produisant dans un espace d’air ou de gaz entre des conducteurs, ce qui peut présenter des risques pour la sécurité.

De leur côté, DiamFab et le CNRS travaillent au développement d’un semi-conducteur à base de diamant pouvant être utilisé pour la conversion de puissance électrique. Les semi-conducteurs sont des dispositifs qui contribuent à une gestion efficace de l’énergie et aident à transformer et à contrôler des tensions et des courants électriques de niveaux importants dans les équipements de conversion en électronique de puissance. Les chercheurs estiment que les semi-conducteurs en diamant pourraient offrir de meilleures performances que la technologie actuellement utilisée, à base de carbure de silicium (SiC) ou de nitrure de gallium (GaN).

Skylife, société chargée de la coordination, s'efforce de valider des équipements de conversion en électronique de puissance utilisant les semi-conducteurs en diamant qui seront produits par le CNRS et DiamFab. À cet égard, la mission principale de Skylife est de démontrer que cette technologie peut être intégrée dans des convertisseurs en électronique de puissance.

La solution

Les principaux défis de ce projet concernent l'application de cette technologie à haute altitude. Dans ces conditions, l'augmentation de la tension peut favoriser l'apparition d'arcs électriques. Il est donc nécessaire de recourir à la dissipation forcée pour une gestion adéquate des éléments thermiques, car la chaleur peut affecter le fonctionnement des semi-conducteurs et joue un rôle très important en électronique de puissance. Cependant, cette tâche s’avère plus complexe en conditions de vol qu’au sol. L’idée est de trouver des solutions technologiques à ces deux problèmes.

La technologie des transistors à base de diamant pour contrôler le flux de courant électrique est très novatrice et présente des avantages techniques par rapport à celle des semi-conducteurs généralement utilisée aujourd’hui. Parmi ces améliorations, on peut citer une tension de claquage plus élevée (ou tension minimale à partir de laquelle une partie non conductrice ou isolante commence à conduire le courant électrique) et des pertes d’énergie réduites.

À l’heure actuelle, avec l’essor de l’électrification des aéronefs, le fonctionnement de ce type de systèmes à haute altitude représente un nouveau défi. Il faut tenir compte de la faible pression et de la faible densité de l’air à cette distance du sol. Parallèlement, il ne faut en aucun cas perdre de vue les caractéristiques particulières liées aux exigences strictes en matière de sécurité et de fiabilité. Le projet DCADE développera des technologies d’électronique de puissance et de distribution d’énergie électrique pour la détection des arcs électriques qui apporteront une réponse à ces défis, tout en explorant le potentiel des semi-conducteurs à base de diamant.

Avantages obtenus

Les avantages tirés de cette solution sont significatifs :

• Une aviation plus propre : Le projet DCADE contribuera au développement d’avions davantage électriques et, à terme, à une aviation sans émissions polluantes, ce qui permettra de répondre aux préoccupations liées au changement climatique.
• Technologie des semi-conducteurs à base de diamant : La recherche sur les semi-conducteurs à base de diamant offre des avantages techniques, tels qu’une tension de claquage plus élevée et des pertes d’énergie moindres par rapport aux semi-conducteurs traditionnels, ce qui peut améliorer l’efficacité de l’électrification des aéronefs.
• Distribution d’énergie à haute altitude : Le projet vise à résoudre les défis techniques liés à la distribution d’énergie électrique à haute altitude, ce qui permettra d’améliorer les performances des systèmes électriques en vol.
• Renforcement de la sécurité : Des recherches sont menées sur la détection des arcs électriques dans les systèmes de distribution haute tension, ce qui améliorerait la sécurité des avions électriques.

Le projet DCADE, doté d'un budget de plus de 1,25 million d'euros pour le consortium, a été mis en œuvre entre 2021 et 2023 grâce à une subvention couvrant 100 % des coûts. Il a été financé par la Commission européenne dans le cadre du programme Horizon 2020.

Chez Skylife Engineering, nous menons à bien des projets grâce à notre vaste expérience dans l'intégration de technologies de pointe et à notre engagement sans faille en faveur du développement durable dans le secteur de l'aviation. Nous travaillons en étroite collaboration avec chaque chef de projet, en appliquant un processus rigoureux de révision et d'amélioration continue. Cette approche garantit des solutions de la plus haute qualité, sûres et efficaces, qui ont un impact réel et durable sur le secteur.