Les différentes micro machines

Les meilleures technologies de batteries aujourd’hui ont le défaut de se recharger sur une durée trop longue [11]. Globalement, les robots humanoïdes peuvent fonctionner pendant 30 min pour une batterie qui met une demi journée à se recharger. Il se crée alors un effet à boucle contre-productif, car pour avoir plus de puissance il faut des batteries plus grandes, donc plus lourdes et donc le tout nécessite encore plus de puissance pour fonctionner. L’amélioration des performances des batteries est trop lente pour ce type d’applications. Il fallait alors penser à des solutions ne faisant pas intervenir le stockage d’énergie mais plutôt la génération. D’après Isomura et ses collègues [11], pour avoir une forte densité de puissance et une forte densité d’énergie à la fois, il faut se munir d’un moteur intégrant de la combustion interne. Le moteur à combustion interne qui répond à ces deux critères et qui peut en plus être miniaturisé doit favoriser le fonctionnement à vitesse constante et à combustion constante. La micro turbine se révèle être le meilleur candidat.Les micro machines sont présentes dans la littérature à plusieurs échelles. Comme nous avons précisé précédemment, ceux-ci s’avèrent être source d”énergie à forte densité de puissance. Cer- tains systèmes sont plus complexes que d’autres mais on retrouve trois principaux cycles qui régissent le fonctionnement thermodynamique de ces micro machines : le cycle de Stir- ling, le cycle de Rankine et le cycle de Brayton. Les défis à franchir afin de parvenir au développement complet d’une micro machine différent par la nature de ces systèmes, mais restent néanmoins aussi difficiles les uns que les autres. Dans leurs travaux, Y. Ribaud et al [12] reprennent les avancées technologiques faites dans l’avancement de la mise en oeuvre des micro turbines. Voici donc résumé les différents défis qu’il faudrait surmonter afin de parvenir à développer et faire fonctionner une micro-turbine. Avant de les citer, précisons que ceux-ci peuvent être généralisés à tout type de micromoteur :

– D1 : Analyser et comprendre la mécanique des fluides qui a lieu aux faibles échelles. – D2 : Prévoir la physique de combustion dans les espaces restreints.

– D3 : Trouver les techniques de fabrication et micro-fabrication adéquats pour par- venir à la solution technologique voulue.

– D4 : Trouver les matériaux possédant les résistances thermiques et mécaniques souhaitées pour l’application, sachant que souvent nous allons nous trouver avec des températures élevées (1000◦ C pour les micro turbines).

2.1. LES MICROMACHINES 11 – D5 : Atteindre les paliers clés permettant le fonctionnement de la micro machine. Cela peut être la vitesse pour les micro turbines ou bien la fréquence de résonance et le facteur de qualité pour des micromoteurs comme le MISTIC.

– D6 : Procéder à une isolation thermique suffisante entre les différentes parties des micro-machines. Généralement il faudra isoler les chambres de combustion des autres composantes du moteur.

– D7 : Développer le micro-transducteur adéquat afin de récupérer le travail du micromoteur. Des technologies comme le piézoélectrique ou l’életromagnétisme sont généralement utilisés à cet effet.

L’approche principale employée dans la recherche pour aborder ces problèmes consiste à globalement miniaturiser les moteurs existants, ce qui a pour effet d’introduire d’autres problématiques jusqu’à lors jamais abordés dans ce cadre [13]. Le travail consistera alors à parvenir à mettre en oeuvre le procédé de fabrication le plus simple suivant un modèle. Il viendra ensuite une phase de production de prototypes afin de caractériser leur compor- tement et de réinjecter ces données dans les modèles qui ont permis leur élaboration. Avec un plan de travail ainsi dressé, ce n’est qu’une question de temps pour arriver à optimiser une micro machine, et par la même, éliminer les architectures qui n’ont aucune chance d’aboutir. Le concept de la micro turbine dans la gamme 10 – 100W est attrayante au vu de son potentiel pour alimenter des dispositifs nomades gourmands en énergie. Plusieurs institutions se sont donc lancés dans cette quête compte tenu du potentiel du projet. Selon le MIT, le compresseur et la turbine d’une turbomachine doivent chacune dépasser l’ef- ficacité thermodynamique de 50% pour que celui-ci soit capable de produire une énergie positive, autrement dit, exploitable. En effet cela implique des taux de compression et un des débits massiques conséquents [14]. La première miniaturisation de micro turbine à gaz a été proposée par Epstein et al. [10]. Sur la figure 2.1 on peut apercevoir l’architecture initiale de 1997. Depuis lors, ces travaux ont été repris par nombre de laboratoires sur tous les continents, résumés dans le tableau 2.1. Les vitesses de rotation dans ce tableau

12 CHAPITRE 2. ÉTAT DE L’ART

Figure 2.1 a) Micro turbine de 80W b) Vue en coupe de la micro turbine à gaz génératrice [10]

sont nominales et théoriques, il faut savoir que les tests expérimentaux sont généralement réalisés à des vitesses bien plus faibles. De façon générale, une vitesse élevée, ainsi qu’un diamètre élevé favoriseront la puissance mécanique produite en sortie. Comme ici le tra- vail consiste à miniaturiser les machines, il s’agira de trouver l’architecture permettant la vitesse la plus élevée avec le diamètre d’arbre le plus faible. Ribaud [12] précise aussi que le plus gros défi pour la micro turbine est de maintenir les vitesses de rotor très élevées. Il faut pour ce faire, être capable de caractériser les pertes de puissance dans les paliers lisses en fonction de leur rigidité.

Par ailleurs, Tanaka et ses collègues ont réussi à mettre en oeuvre la plus petite micro turbine à gaz du monde, en 2007, établi par le cycle de Brayton [16]. Le dispositif a été testé avec une pressurisation externe afin d’assurer les paliers lisses. Pour qu’il soit com- plètement autonome il faudra à l’avenir intégrer des paliers hydrodynamiques.

Parallèlement, des travaux ont été réalisés dans le développement de micro turbines à va- peur à l’UdeS, en collaboration avec Sungkyunkwan University en Korée [17]. Ces travaux ont abouti sur un prototype micro fabriqué en 2011, fonctionnant sur le cycle de Rankine et capable de produire une énergie mécanique de 4.7W [18, 19].

La turbine, dans la littérature, est la machine la plus exploitée dans sa miniaturisation pour la génération d’énergie sous forte densité de puissance. Cependant nous trouvons aussi nombre de machines thermiques miniaturisées qui ont pour objectif la récupéra- tion d’énergie. Force est de constater que celles-ci fonctionnement dans la majeure partie des cas sous le cycle de Stirling. Comme il est précisé plus haut, la machine Stirling a l’avantage d’être animée par de la combustion externe, ce qui lui enlève bon nombre de

2.1. LES MICROMACHINES 13 problématiques que rencontre la micro turbine à gaz dans sa miniaturisation. Wang et ses collègues ont recensé sur le tableau 2.2, en 2016, les machines de cycle Stirling à pistons libres les plus pertinents dont les architectures ont été publiées [1]. Celles-ci ont toutes pour vocation la récupération d’énergie thermique à basse température et à température modérée, globalement en dessous de 200◦ C.

Tableau 2.2 Machines de Stirling à pistons libres fonctionnant à des tempéra- tures faibles ou modérées, recensées dans la littérature en 2016 [1]

Différentes architectures sous différentes phases du Stirling sont présentes dans la littéra- ture. Les moteurs qu’on peut trouver dans ces publications sont à l’échelle centimétrique pour les plus petits. On peut voir certains exemples sur la figure 2.2. La miniaturisation de ces machines s’est installé au coeur des sujets de recherche à partir de la fin des années 80. Nous relevons effectivement diverses échelles associées à chaque moteur. Les courses des pistons varient d’environ 2mm pour le moteur Stirling miniaturisé de Formosa à 30mm pour celui de Kwankaomeng.

Nous réalisons par ailleurs que la notion de ”micro” évolue au cours du temps car la recherche a mené à des dispositifs de plus en plus miniaturisés [13]. On pourrait séparer les miniaturisations en 2 échelles qui seraient :

– L’échelle méso, pour les machines miniaturisées produisant des puissances dans une fourchette de 1W à quelques centaines de Watts. Ceux-ci sont généralement utilisés pour alimenter des systèmes nomades d’une taille et d’un poids conséquent tel que des micro-robots ou des drones, lorsqu’il s’agit de turbines.

– L’échelle micro regroupe les machines miniaturisées produisant des puissance de l’ordre du milliWatt. Ces dispositifs ont comme but ultime de servir de centrale électrique sur une puce ou autre, ce qui rendrait par exemple un microprocesseur capable de gérer sa propre alimentation de façon autonome.

14 CHAPITRE 2. ÉTAT DE L’ART

Figure 2.2 a) Démonstrateur d’énergie spatiale - NASA, Dochat, 1987 [20] b) Nakajima, 1989 [21] c) Formosa, 2014 [9] d) Kwankaomeng, 2014 [22]

Notons que notre machine Stirling est un hybride entre les deux échelles énoncées ci- dessus. Elle aspire à la production de puissances de l’ordre du milliWatt. Ceci est tout à fait normal car on procède dans notre cas à de la récupération à des températures basses et donc l’apport calorifique au cycle est moindre comparé aux turbines qui fonctionnent à des températures bien supérieures à 200◦ C. Au vu du fait que notre source de récupéra- tion d’énergie thermique est rarement idéale, l’efficacité de la récupération s’en retrouve amoindrie. Ajoutons à ceci que pour générer une puissance équivalente à celle d’une micro turbine à gaz, il faudrait multiplier le nombre de micro moteurs Stirling. Il devient alors évident que pour les systèmes à haute consommation énergétique, les micro machines à cycle Stirling fonctionnant à des températures basses ou modérées seront vouées à générer de l’énergie en complément d’un dispositif qui serait capable de sustenter la puissance manquante nécessaire au bon fonctionnement de l’appareil alimenté.