[Dossier] Solar Impulse : histoire et avenir de cet avion fou qui vole à l’énergie solaire

« Assis, ceinture attachée, je sens l’odeur du kérosène emplissant les ailes de ce bon vieil A320. Quelques minutes après, l’oiseau de fer est aligné sur la piste, le pilote met les gaz, faisant vrombir les deux réacteurs. L’avion accélère fort puis s’élève dans les airs dans un bruit assourdissant, laissant derrière lui les effluves de carburant consommé. Ça y est, je vole et je ne suis pas seul. Nous sommes à cet instant 5000 à admirer, au-dessus des nuages, ce qu’était autrefois imaginé comme le royaume des dieux. »

Le White Flyer III des frères du même nom fut le premier avion motorisé à voler de façon contrôlée – crédit : WB.org

L’avion, cette invention géniale, ce fantasme de l’homme, symbole de modernité, de puissance, magiquement scientifique, qui use des lois de la physique pour s’affranchir de la plus connue de toutes. Un symbole dont l’évolution est marquée de rêves, d’aventures mais également par les deux guerres mondiales.

Le rêve de Henson a vu ses hélices se transformer en réacteurs pour en arriver à un moyen de transport à usage commercial. Des réacteurs pensés comme la solution idéale d’une période durant laquelle les ressources énergétiques n’étaient guère une préoccupation. Mais depuis, la question énergétique est devenue le cœur d’un problème qui ne peut se contenter d’une seule solution et se doit de piocher dans des propositions concrètes et non dans des rêves.

1952 : le Havilland Comet conçu par Sir Geoffrey de Havilland fut le premier avion de ligne à réaction – crédit CNN

C’est pourtant un rêve et un goût de l’aventure qui sont à l’origine du projet Solar Impulse lui-même à l’origine de grandes avancées techniques directement et indirectement liées à ce fameux problème d’énergie.

Les grands rêves ont toujours ce goût d’impossible

André Borschberg (63 ans) et Bertrand Piccard (58ans), deux pilotes et aventuriers modernes ont voulu réaliser un avion capable de s’affranchir du kérosène pour n’utiliser que l’énergie solaire. Une idée qualifiée d’utopique lorsqu’elle fût proposée en 1999. Dans la tête de beaucoup de monde, l’énergie solaire était capable d’alimenter une calculatrice ou réduire un peu la facture EDF de la maison. Mais certainement pas de faire voler un avion et encore moins d’effectuer un tour du monde avec.
Pourtant, quelques investisseurs se prêtèrent au jeu dès le début du projet et les partenaires sont désormais nombreux et prestigieux, avec Omega, Schindler, Solvay ou encore Altran qui participe au développement du simulateur de mission sur lequel nous reviendrons.

Tout débute un jour de cette année 1999, un peu avant le bug qui devait arrêter le monde. Bertrand Piccard vient de boucler un tour du monde en ballon, après 3 tentatives, dont l’une fut avortée à cause d’une fuite de kérosène.

Le ballon Breitling – crédits : bertrandpiccard.com

Il se demande alors s’il est possible de s’affranchir de ce combustible pour n’utiliser que l’énergie solaire. Tout s’enchaine de façon régulière, à la manière d’une horloge Suisse. En 2003, il rencontre André Borschberg (avec qui nous avons eu la chance de discuter), pilote de chasse des forces aériennes suisses sur 3 types d’avions et pilote d’hélicoptère.

crédits : Solar Impulse | Stefatou | Rezo.ch

C’est lui qui, plus tard, traversera le Pacifique, en Solo, accomplissant un vol record continu de 117 heures et 52 minutes.

Après avoir trouvé quelques investisseurs, Bertrand et André se tournent vers l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne pour estimer la faisabilité du projet. Le concept est développé pendant 6 ans pour aboutir au premier prototype nommé HB-SIA (SI pour Solar Impulse) présenté le 26 juin 2009, soit 7 ans presque jour pour jour avant la traversée de l’Atlantique avec le Solar Impulse II par Bertrand.

crédits : Wikipedia

Plusieurs essais sont faits, dont un de 26 heures et 9 minutes sans interruption (incluant donc une nuit entière en vol continu) le 7 juillet 2010 et un autre, le premier vol international, de 13 heures et 630km reliant l’aérodrome militaire de Payerne à l’aéroport de Bruxelles (une fois).

Evidemment, l’objectif était de faire le tour du monde. Et cela, en moins d’une année, tout en incluant les fameuses traversées des océans Pacifique et Atlantique.

Mais entamé le 9 mars 2015 à Abu Dabi, le tour n’est toujours pas achevé à l’heure où ces lignes sont écrites. Ce n’est pas un échec, loin de là et nous allons expliquer pourquoi. Mais avant, nous devons aborder brièvement la conception de l’avion.

Le poids plume plus large qu’un 747 et moins confortable qu’un tank

Il y a en fait 2 avions Solar Impulse. Le premier (le HB-SIA) mesurait 63,40 mètres d’envergure, alors que le second (HB-SIB) mesure 72 mètres. Oui 72 mètres, soit 3,5 mètres de PLUS qu’un Boeing 747.

Les évolutions des concepts technologiques utilisées sont la cause des différences physiques entre les deux avions.
La capacité des 4 batteries a ainsi pu être augmentée (de 240 Wh/kg à 260 Wh/kg sur le SI 2) grâce à un travail de la société Solvay sur les électrolytes. Ceci s’est soldé par un poids plus important. L’avion volant à maximum 90km/h (soit 8 fois moins qu’un avion commercial), il est donc hyper sensible aux turbulences.

Afin d’assurer la stabilité, l’envergure a été augmentée (ce qui justifie les 72 mètres) d’autant plus que la surface gagnée a permis d’y placer plus de panneaux photovoltaïques (pour un total de 200m2). Cela s’est traduit par un prise de poids du joujou qui est passé de 1600 kg à 2300 kg pilote compris. C’est 153 fois moins qu’un 747.

Passons aux quatre moteurs électriques, offrant une puissance globale sur 24 heures de 15Cv (soit moins de la moitié d’un scooter MP3 de 500 cm3). Mine de rien, ces moteurs peuvent fonctionner 120 heures de suite, la limite que s’est donnée l’équipe, limite qui tient également compte des capacités physiques des pilotes. C’est 9 fois plus qu’un moteur Rolls-Royce Trent 900 monté sur certains Airbus A380.

Le Solar Impulse 2 n’est pas vraiment un « avion » comme on se plait à l’imaginer en pensant aux vols commerciaux. Il ne peut embarquer qu’une seule personne : le pilote.

Contrairement au premier avion, le SI2 permet au pilote de s’allonger un peu

Oubliez les bagages, les passagers, et même le copilote…

Ajoutez une vingtaine d’ingénieurs (à ce jour, le projet réunit 70 personnes) se relayant jour et nuit pour palier tout risque d’accident et régler tout problème, notamment en anticipant tout changement météorologique. Et oui, le Solar Impulse n’aime ni les turbulences, ni les jours de pluie.

Donc vous l’avez compris, le SI 2 est plutôt un laboratoire flottant qu’un avion.

Le Solar Impulse est forcément particulier à piloter puisqu’il nécessite un « éco-pilotage » avec « éco » pour économique.

La raison est simple : en journée, les panneaux rechargent les batteries qui alimentent les moteurs. Mais lorsque la nuit arrive, les panneaux ne rechargent plus rien. Or, l’énergie embarquée dans les batteries ne permet pas d’alimenter les moteurs pendant TOUTE la période nocturne.

Les ingénieurs ont donc planché sur la question afin d’assurer un vol continu de 5 jours consécutifs. La solution est intéressante :

Pendant la journée, l’avion monte en continue tout en rechargeant les batteries pour atteindre 28 000 pieds d’altitude (8500 mètres). La cabine n’étant pas pressurisée, les pilotes utilisent un masque à oxygène passée une certaine altitude.

La nuit venue, l’appareil entame une descente lente et continue jusqu’à atteindre 6500 pieds. Les batteries sont légèrement sollicitées pour faire tourner lentement les hélices, afin d’éviter le crosswind.

A 6500 pieds, le pilote active à nouveau les moteurs. Bah oui, il ne faut pas descendre plus bas ni aller trop lentement (sinon c’est le crash). Durant l’aube, le pilote maintient l’altitude stable, puis une fois la lumière à nouveau présente, il repart sur une ascension jusqu’à atteindre 28 000 pieds, ascension durant laquelle les batteries se rechargent.

Voici le graphique complet du vol continu éffectué par Bertrand Piccard durant sa traversée de l’Atlantique :

Retour à nos moutons : les problèmes ayant empêché de boucler le tour du monde en moins d’une année

On revient sur ce fameux tour du monde en moins d’une année. Sachez qu’il a été entrepris avec le Solar Impulse 2, celui disposant de nouvelles batteries plus denses. L’avion vole à 28 000 ft d’altitude (8500 mètres). A cette hauteur, on se les gèle. Littéralement !

Or, le Solar Impulse fonctionne grâce à des moteurs électriques alimentés par des batteries. Et comme notre corps, les batteries détestent le froid. Celles de l’avion sont donc protégées et chauffées. Au décollage de Nagoya, lorsque André traversait le Pacifique, les batteries ont indiqué une température anormalement élevée. Pour rappel, lorsqu’une pauvre batterie d’iPhone explose, ça fait quelques dégâts. Imaginez ce que ça donnerait avec 4 batteries lithium de 160kg chacune !
L’avion a donc été contraint de se poser à Hawaï, où il est resté plusieurs mois au sol en attendant d’être reconstruit, après avoir volé 5 jours et 5 nuits en continu.

L’importance du simulateur et de son développement

Altran est une société de recherche et de solutions technologiques et industrielles. En gros, on leur donne un problème et eux doivent apporter et/ou créer des outils pour les solutionner.

Le problème du projet SI était immense : à partir de rien, il fallait faire voler un avion solaire. Nous avons vu les contraintes techniques et cette grosse susceptibilité de l’engin qui déteste les turbulences et l’absence de lumière autant qu’on peut détester les mojitos mal faits.

Du coup, il faut que le plan de vol (trajet suivi par l’avion lors du vol) soit exempt de tout souci météo, faute de quoi, ce serait le crash. Altran a permis le développement d’un simulateur de mission s’appuyant sur une gestion des éléments extérieurs et interne à l’avion en temps réel. Un simulateur qui, au début du projet, était limité. La force vient du développement continu de cet outil. Pour vous donner une idée : un vol qui aurait été refusé en 2015 à cause des conditions météo est désormais possible aujourd’hui. L’outil est désormais si précis, qu’il peut établir un plan de vol nettement plus détaillé.

Le groupe Altran a également travaillé de concert avec Omega pour le développement de l’auto pilote. Ce dernier est en fait un contrôleur de stabilité de l’appareil, capable d’assurer le relais pendant 20 minutes. C’est l’expertise d’Omega qui a permis d’obtenir un calculateur d’inclinaison précis qui désactive l’autopilote en cas de roulis ou de tangage trop important.

Enfin, un simulateur virtuel à 180° a été spécialement développé pour la mission, afin de reproduire de la façon la plus réaliste possible les conditions de vol dans cet engin totalement décalé. Un moyen efficace de préparer les pilotes psychologiquement et physiquement à leur aventure.

J’en profite pour remercier Christophe Béesau, ingénieur travaillant sur le projet Solar Impulse, pour toutes ses infos et explications !

Durant quinze des dix-sept étapes que compte le tour du monde, le projet Solar Impulse aura infligé bien des épreuves aux pilotes. Nous avons eu la chance de nous entetenir avec André Borschberg à propos de sa traversée du Pacifique, celle qui a duré 5 jours et 5 nuits.Entretien pendant lequel il s’est confié sur les sensations et émotions qui l’ont traversé durant son expédition aérienne.

L’avion vole jusqu’à 8500 mètres d’altitude. Il n’y a pas de couchage dans le Solar Impulse II mais un siège légèrement inclinable. La cabine n’est pas pressurisée. Le pilote automatique se contente de stabiliser l’appareil, mais pas de piloter. Dès lors, le pilote doit être capable d’agir à tout moment sur un avion lent, sur lequel chaque action a une latence importante et ultrasensible aux turbulences et donc très instable. En échange de ce confort primaire, de cette fatigue latente et violente (20 minutes de sommeil toutes les deux heures), de la solitude indirecte (la liaison avec le centre de contrôle à Monaco est permanente mais vous restez seul au milieu du ciel), du froid, du chaud, et de la concentration constante nécessaire, les pilotes passent par toute une série d’émotions. Il n’est donc pas rare de voir les pilotes sourire, crier, pleurer, bref, être humain.

La méditation permet de gérer le stress et la fatigue

A la différence de Lindbergh, les pilotes disposent désormais d’outils de communication et donc des réseaux sociaux. Des réseaux qui permettent de suivre en temps réel leur avancée dans l’aventure.

#cleanenergy can become commonplace w/ the help of innovation and business https://t.co/mjplVOsSXA pic.twitter.com/nJ2RM4eTVO

— André Borschberg (@andreborschberg) 29 juin 2016

I’m featured in @GQMagazine for the coolest #selfie of the year, flying across the #Altantic https://t.co/Kdjq7JGDT0 pic.twitter.com/PWtIRjuvkk

— Bertrand PICCARD (@bertrandpiccard) 1 juillet 2016

Cette retranscription est un véritable atout, car elle permet de faire vivre le projet en continu. Une chose indispensable tant notre esprit modernisé est volatile et constamment sollicité. De plus, les échanges avec les pilotes leur confèrent un soutien non négligeable.

Wishing all dads a #happyfathersday from the #solarimpulse team ! #enjoy #your #day #monaco #futureisclean #mcc #rtw #dad #daddy #sunday #sunnyday #see #papa #

Une photo publiée par Solar Impulse (@solarimpulse) le 19 Juin 2016 à 3h04 PDT

L’astronaute américain Scott Kelly a d’ailleurs utilisé ces mêmes réseaux lors de son expérience d’une année dans l’espace.

#ThrowbackThursday Remeniscing about the beauty of our planet Earth. pic.twitter.com/tVt2jbDUIZ

— Scott Kelly (@StationCDRKelly) 24 juin 2016

Comme quoi, les réseaux sociaux ont parfois du bon !

A l’origine, il s’agit de l’envie de deux aventuriers qui voulaient relever un nouveau défi. Il faut dire que le dernier d’un tel genre remonte à 1933, lors de la traversée de l’Atlantique en solo par Charles Lindbergh en 33 heure (performance qui au passage, vient tout juste d’être relevée par l’équipe du Solar Impulse qui a parcouru les 6272km en 70 heures).

Lindberg posant devant son avion – Wikipédia

Une folie ! Mais comment réitérer la folie au 21ème siècle ? En visant quelque chose de nouveau, quelque chose considéré comme impossible. Puis pour une fois qu’une avancée majeure de l’aviation ne nécessite ni guerre ni accident meurtrier, on ne va pas s’en plaindre.

Mais c’est également pour mettre en avant les possibilités offertes par l’utilisation d’énergie alternatives au pétrole. Non pas pour s’en affranchir, mais pour proposer quelque chose de plus dans l’équation et répondre ainsi aux besoins de plus en plus importants d’une population de plus en plus grande. D’ailleurs, Bertrand Piccard a confirmé cette idée à Eva Gomez, journaliste au Monde, en ajoutant qu’il espère que Solar Impulse marquera un nouveau cycle dans l’histoire du déplacement urbain.

Petit rappel au passage : les frères Orville et Wilbur Wright ont effectué le premier vol contrôlé et motorisé de l’histoire en 1903. Un vol d’une distance de 200 mètres. A cette époque, un journal américain ou anglais (désolé, impossible de remettre la main dessus mais je tenterai de le retrouver) publie que la traversée de l’Atlantique en avion sera possible… dans 100 ans, soit en 2003. Pourtant, à peine 30 ans plus tard, Charles Lindbergh réussit cet exploit en un peu plus de 33 heures. Idem pour les vols commerciaux. Encore difficilement envisageables sur des longues distances à cette époque, on voit apparaître, 36 ans plus tard, le 747 (Jumbo Jet), un avion capable d’embarquer 524 passagers sur cette même traversée en seulement 8 heures !

Tout ça pour dire que ce qu’on pense impossible arrive souvent plus rapidement qu’on le pense. Certes, le Solar Impulse II vole à 90 km/h avec des contraintes humaines et techniques importantes. Mais il est un point de départ, comme l’ont été les autres.

Bon, tout ça c’est bien joli, mais concrètement, on ne peut pas imaginer un projet ayant coûté des millions ne servir qu’à assouvir le rêve de deux pilotes. En fait si. A l’origine, ce n’était que ça. Mais deux choses totalement logiques se sont produites :
1) Au fil de l’accroissement la population et de l’épuisement des ressources, nos besoins changent ;
2) Pour mener à bien un tel projet, il a fallu bosser et entreprendre de massives recherches dans de multiples domaines (thermodynamique, physique, chimie, météorologie, etc).

Ces recherches ont visé directement le projet. Mais ce qu’elles ont permis de découvrir, d’améliorer et de perfectionner (le rendement des panneaux solaires en fonction de leur orientation, de la direction de la lumière, ou encore les simulations météorologiques et le logiciel de simulation qui a été amélioré année après année pour en arriver à un degré de précision à en faire fantasmer Evelyne Delia) peuvent être utilisées aujourd’hui dans d’autres domaines, bien plus larges qui n’étaient pas forcément envisagés ou envisageables au début du projet et directement lié à l’évolution de nos modes de vie.

Tout ceci mis bout à bout engendre une réaction intéressante : nos besoins croisent les avancées. Parfois cela prend du temps, d’autres fois c’est rapide. Aujourd’hui par exemple, nos besoins énergétiques sont importants, mais peuvent être facilement fractionnables. Les objets à faible consommation comme les smartphones, les véhicules à mobilité urbaine (trottinettes électriques, Solowheel, gyropodes, VAE, etc) nécessitent des charges régulières pour remplir de petites batteries. On peut aisément imaginer pouvoir piocher dans les avancées de gestion énergétiques (optimisation de captation d’énergie solaire, meilleure rendement de batteries pour le stockage, consommation réduite) pour optimiser au mieux leur utilisation. Mais il y a 13 ans, les VAE étaient loin d’être aussi démocratisés, leur besoin nettement moins mis en avant également et donc les investissements en R&D moins importants. C’est un exemple parmi d’autres.

Côté véhicules, les drones ont pris un essor très important ces dernières années, alors qu’en 1999, leur usage était confidentiel. Or, un drone n’a pas besoin de 640 kilos de batterie pour voler. Même s’il doit alimenter la batterie d’une caméra embarquée. Le Solar Impulse et les avancées qui y sont liées ouvre une voie très intéressante à laquelle on ne pensait pas au début du projet, il y a 13 ans.

Prochaine étape le drone solaire ? – crédit : Daniel Lukonis – DIYDrone

Nous avons besoin de ce genre de coup de pied aux fesses du progrès pour accélérer les avancées et répondre à d’éternels nouveaux besoins.
Nous sommes à l’opposé d’un projet à but lucratif immédiat, comme nous en voyons chaque jour sur Kickstarter.

Ce projet de plus d’une décennie (13 ans pour être exact) a reçu des encouragements comme il a essuyé nombre de critiques.

Ces dernières portent sur son intérêt, sur les contraintes imposées par un tel avion rendant toute exploitation sur court et moyen terme impossible. Mais c’est justement l’aspect impossible qui fait la force de ce projet. Sans chercher à le défendre et en étant un peu pragmatique : le Solar Impulse n’a jamais été brandit comme le renouveau de l’aviation ou de l’exploitation de l’énergie solaire. C’était juste un rêve qui a pu se concrétiser. Comme beaucoup d’étapes marquantes, c’est un précurseur d’un nouveau cycle de véhicules mobiles. On a toujours sous-estimé nos capacités à faire évoluer la technologie. Qui pensait il y a 20 ans que nos smartphones embarqueraient des processeurs 8 cœurs de 2GHz, des écrans 4K et offriraient toutes les possibilités techniques dont on bénéficie aujourd’hui ?

Qui aurait imaginé il y a seulement 30 ans qu’on pourrait se déplacer dans une voiture sans avoir besoin de la diriger ?

Si on en revient au Solar Impulse : il a prouvé qu’il était possible de voler en continu pendant 120 heures…
Avec des moteurs électriques…
Alimentés uniquement en journée…
Par des panneaux solaires !

Ce n’est pas de la théorie, mais du concret.

On sait désormais que des moteurs électriques peuvent faire voler un avion, peuvent tenir 120 heures, que des batteries peuvent supporter l’altitude et ses températures. On sait également prévoir la météo et les mouvements des courants, des nuages, des flux d’air avec une précision de l’ordre de la dizaine de mètres. C’est une excellente base pour une suite !

Si on ne se base que ce qu’il est possible de faire aujourd’hui, sans chercher à repousser les limites, on stoppe net les possibilités d’évolution. Car ces projets apportent avec eux leur lot de problèmes. Et ce sont les solutions à ces problèmes qui permettent d’avancer.

Enfin, une piste n’est jamais mauvaise. Car elle permet d’être soit la voie à suivre, soit celle à abandonner, permettant dans chacun de ces deux cas d’être fixé.

Un grand merci à Elsa, André, Christophe, Esla et Julien qui ont permis la réalisation de ce dossier. Crédits photos : Solar Impulse – Revillard – Pizzolante