Alternative aux essuie-glaces

Alternative aux essuie-glaces

Les essuie-glaces sont un système mécanique permettant d'essuyer la pluie et autres projections sur un pare-brise. De nombreux véhicules motorisés en sont équipés, on retrouve parmi eux les voitures, les trains, certains bateaux et avions. Pour ces derniers les essuie-glaces sont utiles seulement pour les phases de roulage, de décollage et d'atterrissage. En effet en vol la vitesse est assez élevée pour que l'évacuation se fasse d'elle-même.

Le soucis d'un tel système mécanique est qu'il est exposé à de nombreuses sollicitations extérieures tel que la formation de glaces ou les forces aérodynamiques. Il nécessite donc beaucoup d'entretiens.

L'objectif de ce Bureau d'Etude est de faire un état de l'art des techniques d'évacuation d'eau sur une surface. Puis de développer celles qui nous paraisse réalisable.

Solution envisagées

Différentes pistes ont été explorés :

  • Augmenter l'angle de mouillage des gouttes sur la vitre à travers différents procédés :
    • Biomimétisme
    • Caléfaction
  • Recherche de cas similaires dans l'automobile.
  • Recherche de travaux portant sur le mouvement de gouttes sur une surface plane.

Effet Lotus

Effet Lotus

L'effet Lotus à été vraiment étudié en 1977 par le botaniste Wilhelm Barthlott. C'est un phénomène de superhydrophobie causé par une rugosité nanométrique. Son nom provient de la plante Lotus dont les feuilles présentent cette caractéristique.

Posé sur cette surface les gouttes restent presque sphériques et peuvent donc rouler pour peu que la surface soit inclinée.

Mouillage d'un liquide sur un solide :

On caractérise le mouillage d'un liquide sur un solide (la vitre de notre avion par exemple) par l'angle de contact entre les deux objets. Ce dernier est caractérisé par la loi de Young-Dupré. Lorsque l'angle de contact est faible, la goutte est aplatie, et on est dans un cas de bon mouillage. Lorsque l'angle de contact est élevé, la goutte est arrondie, on est dans la cas d'un mauvais mouillage.

Où γSL, γSG, γLG sont les tensions superficielles des interfaces solide/liquide, solide/vapeur et liquide/vapeur.

L'objectif est donc d'obtenir un angle de contact maximal, afin d'avoir une goutte la plus sphérique possible.

Surface superhydrophobique :

Une surface superhydrophobe, est décrite par la loi de Cassie selon laquelle un angle de contact supérieur 150° ne permet pas à l'eau de s'accrocher. Ce qui est le cas avec l'effet Lotus.

Une analyse plus précise de la surface permet de comprendre cet effet : La surface est constituée de micro-valons de l'ordre du micromètre qui elles-mêmes sont composées de bosses nanoscopiques.

Cela a pour conséquence de réduire au minimum le contact entre la goutte et le solide. L'eau ne remplis pas les intervalles et repose principalement sur de l'air.

Schéma de S. G. Bodde, tiré de "Biological materials: A materials science approach"

Schéma de S. G. Bodde, tiré de "Biological materials: A materials science approach"

Intérêt pour notre projet :

Il est possible d'obtenir cet effet de différentes manières. Que ça soit en appliquant directement un produit sur la surface à traiter ou en agissant directement sur la structure du matériau.

Récemment un groupe de chercheur de l'université de Rochester ont réussi à mettre au point une surface superhydrophobe grace à un traitement laser.

On retrouve néanmoins deux problèmes majeurs :

Tout d'abord le traitement de surface modifie la structure de la surface et donc altère la transparence de la vitre. En effet les vitres du système de péage automatique en Allemagne sont traité de cette manière et sont légèrement laiteuse.

Ensuite ce genre de dispositif est très sensible aux conditions extérieures, l'usure se fait rapidement sentir et nécessite beaucoup d'entretien.

Caléfaction

Caléfaction

La caléfaction est un phénomène d'isolation thermique entre un liquide et une surface chauffée à une température supérieure à la température d'ébullition de ce liquide.

« Goutte en caléfaction » par Rieper

Les gouttes en caléfaction sont isolés de leur substrat par un film de vapeur de faible épaisseur qui rend le transfert thermique très lent. Ainsi l'évaporation de la goutte est fortement ralentis. De plus la goutte est alors extrêmement mobile et réagit à la moindre sollicitation car le coussin de vapeur réduit quasiment tout les frottements.

Ce genre de phénomène donne lieu à une goutte libre de tout frottement en parois. Mais les conditions opératoires sont relativement contraignante. En effet, faire chauffer une vitre à plus de 300°C sur toute sa surface durant les phases de décollage et d'atterrissage semble difficilement réalisable.

SLIPS

Slippery Liquid-Infused Porous Surface (SLIPS)

Récemment une équipe de chercheur de Harvard a mise au point une nouvelle surface inspirée de la nature. Cet effet est inspiré la plante "Nepenthes pitcher" dont certaine partie de son corps sont libre de tout frottement afin que les insectes tombent directement dans son "estomac"

"Nepenthes pitcher morphology upper". Licensed under CC BY 2.5 via Wikimedia Commons

Entourant l'entrée de l'estomac est une structure appelée péristome (la «lèvre») qui est glissante et souvent très coloré pour attirer des proies, mais offrant une surface très glissante. L'efficacité de capture des proies du péristome est encore améliorée dans les environnements humides, où la condensation peut causer un mince film d'eau se forme sur la surface du péristome. Lorsqu'elle est mouillée, la surface glissante de la peristome fait en sorte que les insectes «aquaplane», ou glisse et tombe, dans l'estomac.

Principe de focntionnement

Ce principe est conceptuellement différent de l'effet de lotus, parce qu'il utilise des nano/substrats microstructurés pour capturer un film de fluide lubrifié. La goutte posé sur ce type de surface ne subit donc que très peu de frottement et peu glisser dans problème hors de la surface.

Schematic showing the design of the Slippery Liquid-Infused Porous Surface (SLIPS). (Courtesy: Peter Allen and James C Weaver)

Avantages

Cette méthode possède de nombreux avantages :

  • Elle peut être rendu transparente pour les systèmes optiques
  • Elle a des capacités régénératrices
  • Fonctionner à hautes pressions/températures

Ultrasons

Ultrasons

Le Designer en chef de McLaren Automotive Frank Stephenson a déclaré au Sunday Times que la société de l'automobilisme de la performance étudie l'utilisation des «champs de force ultrasons" pour remplacer les essuie-glaces dans les automobiles. Bien que Stephenson fait référence à une source militaire pour la technologie de McLaren, il semble y avoir très peu d'information publique sur la façon dont ces champs de force pourraient nettoyer un pare-brise lors d'une tempête.

Il existe néanmoins des brevets ayant mis au point un système similaire. Le premier date des années 1960. Le plus récent à été soumis en 2011 par une petite entreprise anglaise.

Principe de fonctionnement

Le principe est d'utiliser les SAW (Surface Acoustic Waves) afin d'oter les impuretés. Pour celà le système est composé de transducteur piézoelectrique de tout les côtés du pare-brise en PZT (Titano-Ziconate de Plomb).

Kenro Motoda's surface acoustic wave ultrasonic windshield washer from his 1986 patent application (Image: US Patent 4768256 A)

Les ondes doivent balayer une large gamme de fréquence afin d'être assuré que toutes les tailles de gouttes soient sensible aux ultrasons. Dans l'idée il faudrait des fréquences comprises de 0.5 à 5 MHz. Ces valeurs doivent néanmoins être confirmées par expérience. De plus les amplitudes ne seraient pas plus hautes que 2.5 mm.

Avantages/Améliorations possible

On peut imaginer trois améliorations possible de ce système :

  • Le plus simple serait de faire varier constamment la fréquence des ultrasons pour se assurer que les couples d'ondes ainsi à un plus grand nombre de gouttes de pluie et de flocon de neige tailles.
  • Plus complexe est de rendre les générateurs d'ultrasons capable de fournir une onde de choc occasionnelle; une impulsion d'ultrasons de très haute intensité qui aider à déloger les dépôts récalcitrants sur le pare-brise.
  • La version ultime, serait d'inclure un réseau qui permettrait une focalisation des ultrasons dans le pare-brise. Si les récepteurs pour les ondes ultrasonores sont placés autour de la fenêtre, ils peuvent être utilisés comme un type de sonar pour fournir des informations sur ce qui est sur le pare-brise. Si il y a morceau particulièrement obstiné (de la glace, etc.), son emplacement peut être déterminé à partir des données reçues. Ensuite, les phases relatives des transducteurs à ultrasons peuvent être réglés de manière qu'il existe un énorme pic d'énergie ultrasonore sous le fautif Cette énergie ciblée permettrait au système d'évacuer les objets étrangers que le système ne peut pas déloger par manque d'énergie.

 

Vibrations

Vibrations

L'influence de petite vibration a donnée lieu à quelques publications scientifique ainsi qu'à un brevet automobile sur l'évacuation d'eau d'une surface optique.

Le principe serait de mettre en vibration l'ensemble de la vitre à haute fréquence et faible amplitude à l'aide d'un système inclus dans la vitre elle-même.

L'ensemble des impuretés seraient alors éjectés sous l'effet couplés des vibrations, des forces aerodynamiques et de la gravité.

Système imaginé

Composition du polymère : Acrylique, Silicone,  Polyvinylidène Fluoride.

Composition des Electrodes : Nanotube de carbone, Oxyde transparent.

Principe opérationnel : Un courant sinusoïdale est envoyé à travers les électrodes. Sous l'effet du courant qui le traverse le polymère se contracte à la fréquence du signal transmis. L'ensemble du système se met alors en vibration.

Une expérience serait très utile afin de vérifier le bon fonctionnement du mécanisme.

Conclusion

Tableau récapitulatif

Un système optimal serait de coupler deux principe ensemble. Par exemple l'effet SLIPS avec les ultrasons permettrait de mettre au point un système optimal.

Bibliographie

Bibliographie

[1] Xavier Noblin. Plantes, gouttes, jets, grains: Quelques problmes aux interfaces liquides ou lastiques. Soft Condensed Matter. Universit Nice Sophia Antipolis, 2011.

[2] Pascal Raux. Interfaces mobiles : friction en mouillage nul et dynamiques de fronts. Soft Condensed Matter. Ecole Polytechnique X, 2013. French.

[3] P. Brunet, M. Baudoin, O. Bou Matar and F. Zoueshtiagh. Droplets displacement and oscillations induced by ultrasonic surface acoustic waves: a quantitive study. February 22, 2010.

[4] P. Brunet. Motion of a drop driven by substrate vibrations. Mecanichal Laboratory of Lille. 2009.

[5] P.Dimitrakouplos. Displacement of fluid droplets from solid surfaces in low-Reynolds-number shear flows. Department of Chemical Engineering, University of Illinois. 1996.

[6] Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omni-phobicity

[7] Brevet : WO 2009095599 A1

[8] Brevet : WO 2012095643 A1

[9] S. Soulimane. Conception et modélisation d'un micro-actionneur a base d'elastomère dielectrique 2010