Dégivrage

Il existe plusieurs types de givres différents : givre blanc, givre transparent, givre mixte et gelée blanche. Ils ont tous des propriétés différentes et leur apparition dépend de la météo, notamment de la température de l'air, de la pression de l'air, du taux d'humidité et du temps de transformation.C'est pourquoi il est très difficile de trouver une solution permettant de prévenir de tous les types de givre.

                                                  

Givre blanc, transparent, mixte et gelée blanche (images issues de ehfc.net, wikipedia, aero-news.net, trainning.deicinginnovations.net)

La formation de givre sur les avions immobilisés provient de la cessation de l'état d'équilibre instable des gouttes d'eau contenues dans l'atmosphère. Ces gouttes d'eau sont surfondues, c'est-à-dire qu'on les trouve sous forme liquide à une température inférieure à 0°C. Un simple choc suffit à rompre cet état d'équilibre et entraîne leur solidification, dans notre cas le choc c'est le contact avec l'avion.

Lorsque les avions restent au sol par des températures négatives, il peut se former des cristaux de glace sur leur surface. La formation de glace à la surface des avions est dangereuse et cause de nombreux problèmes si elle n'est pas retirer avant le décollage. Outre les capacités aérodynamiques changées par les dépôts de glace, ces derniers peuvent aussi obstruer les appareils de mesure et les rendre inutilisables.

De plus la solidification de l'eau à la surface des appareils entraîne un surpoids donc une consommation de carburant plus importante en vol.

Solution actuelle

La solution actuelle utilisée pour dégivrer les avions est une solution curative. On pulvérise sur toute la surface de l'appareil un mélange d'eau et de glycol à 80°C pour faire fondre la glace. Le glycol étant un alcool il permet de diminuer la température de fusion de l'eau. Ainsi même lorsque les températures extérieures sont négatives la glace peut fondre. Cette solution est pulvérisée à l'aide de dégivreuses mobiles ou à partir de poste de dégivrage. 

                        

Image : Wikipedia

Pour un avion comme l'A380 le dégivrage représente un coût de 5000€ et il faut 15 minutes. On utilise à peu près 200L de solution pour un avion de ligne. Le principal désavantage de cette solution est sa durée d'action puisqu'elle n'est efficace qu'une trentaine de minutes. Une fois ce délai passé, si l'avion n'a pas décollé, le processus devra être reproduit.

Solutions envisagées

Dans cette partie nous allons développer quelques idées envisagées comme alernative au système de dégivrage actuel. Certaines feront l'objet d'une sous partie car elles ont été plus développées que d'autres qui ont été rapidement réfutées.

Nous avons choisi de ne pas nous intéresser en profondeur aux solutions suivantes : 

     - Résistances électriques (de type lunette arrière de voiture). Pour la surface portante d'un A380 (845 m²) ce type de chauffage représente une puissance de 575kW. Cependant ce processus est d'autant plus long que le givre est épais. La consommation d'énergie réelle d'un avion serait plus importante que celle calculée théoriquement qui est déjà assez importante.

     - Boudins pneumatiques. Le principe est d'installer des boudins pneumatiques dégonflés sur la surface de l'appareil et de les gonfler une fois la glace formée pour la décoller. Cependant il faudrait recouvrir une surface importante de l'appareil pour enlever un maximum de givre. De plus un dispositif de récupération de la glace est nécessaire pour éviter que les morceaux de glace n'endommagent l'avion au moment du décollage.

     -Hangars ou housses. Ces dispositifs seraient les plus simples à mettre en place mais on ne peut pas construire un garage pour chaque avion au sol ni créer des housses de la dimensions des A380.

 

Peinture chauffante

Le principe est de superposer trois couches successives : 

- une première couche de peinture
- des électrodes
- une seconde couche de peinture

Les électrodes sont reliées à une alimentation qui leur permettrait de dégager de la chaleur par effet joule.

La surface de l'A380 est de 4400m² et il faut un peu plus de 3600 litres de peinture fraiche pour le peindre entièrement. Nous connaissons les composants de cette peinture chauffante. Nous allons donc déterminer si cette peinture à les mêmes caractéristiques que la peinture actuelle. Les composants sont les suivants :

- 43,27% de résine vinyle versatate, à 50% d'extrait sec
- 4,81 % de débullant, à 40% d'extrait sec
- 33,65% de graphite diamagnétique, à 100% d'extrait sec
- 0,2% de biocide, à 100% d'extrait sec
- 18,07% d'eau

Cette composition représente une masse volumique de 1.21 kg/L. Les peintures ayant un pouvoir couvrant moyen de 7m²/L, il faut 524 litres de peinture pour une couche sur  l'Airbus. Pour une couleur blanc industriel, le coefficient moyen de densité est de 1.7, 524 litres de peinture correspondent donc à 891 kg.  L'extrait sec consommé est calculé comme la différence entre le poids total et le poids des composés organiques volatiles. Le poids des composés organiques volatiles est de 42% de la masse de peinture, il représente 375 kg. Enfin toute la peinture consommée n'est pas effectivement déposée. Selon les moyen d'application de la peinture les coefficients de transfert peuvent varier de 40 à 75 %. Si on choisi une application par TRANSTECH (le plus répandu) avec un taux de transfert de 70% l'extrait sec déposé est de 470 kg par couche. Dans ce cas les deux couches de peinture, une fois sèches, représentent une masse de 939kg alors qu'actuellement les trois couches de peinture nécessaires pour peindre l'A380 ne pèsent qu'environ 500kg.

La différence de température entre l'air ambiant et la température nécessaire à la fonte du givre permet de déterminer la puissance que doivent fournir les électrodes. On suppose que la surface de l'avion doit être maintenue à 2°C pour permettre le dégivrage. On va prendre pour un calcul d'ordre de grandeur une température extérieure de -10°C. On supposera l'échange de chaleur par rayonnement négligeable comparé aux deux autres modes de transfert. Les données thermodynamiques de l'air sont données à 250K (soit -23°C). Le but ici est de déterminer jusqu'à quelle température extérieure la peinture permettra le dégivrage en fonction de la puissance à fournir.

$\beta=1$

$\mu=1.596 10^{-5} N.s/m²$

$\rho=1.2 kg m^3$

$\nu=\frac{\mu}{\rho}$

$\alpha=15.9 10^{-6} m²/s$

$k=22.3 10^{-3} W/m K$

Les électrodes fonctionnent par deux. Pour une épaisseur de couche de peinture de 100 nm, un espacement de 5 cm entre les électrodes de longueur 60 cm et une alimentation de 10V, l'énergie fournie est de 50W. La masse de peinture sèche calculée auparavant est calculée pour ces conditions. La longueur caractéristique ici utilisée est la longueur de l'électrode (60 cm).

Les grandeurs à calculer sont les nombres de Rayleigh, de Nusselt et le coefficient d'échange thermique de l'air. 

$Rayleigh=\frac{(g*\beta*(T_s-T_e)*0.6^3)}{(\nu*\alpha)}$ avec Ts température de surface et Te température extérieure

$Nusselt=0.15 *Rayleigh^{1/3}$

$h=\frac{Nusselt * k}{0.6}$

Ainsi le flux obtenu par convection peut être calculé : $\phi_{convection}=\frac{T_v-T_e}{1/(h*S)}$

Pour la conduction on fait les hypothèses que la surface de l'aile est en acier et que l'épaisseur entre les électrodes et l'air et de 2mm.

e=2mm

​$\lambda_{acier}=50.2 W.m^{-1}K^{-1}$ à 293K

Alors $\phi_{conduction}=\frac{\lambda_{acier}*S}{e}*(T_{voulue}-T_e)$

D'où la puissance totale nécessaire pour atteindre une température de 2°C dans l'environnement immédiat de l'avion : 

$\phi_{total}=\frac{T_{voulue}-T_e}{\frac{e}{\lambda_{acier}*S}+\frac{1}{h*S}}$

Les calculs effectués en utilisant la surface totale de l'avion donnent des valeurs très importantes nous allons donc ici données les valeurs correspondant à un dégivrage des ailes à titre indicatif avec une surface alaire prise égale à 845 m².

Le flux total nécessaire est $2.7 10^5 W$    

La figure suivante représente la puissance nécessaire pour obtenir une surface à la température de 2°C nécessaire pour faire fondre la glace. Cette courbe correspond à une surface étant égale à la moitié de la surface alaire de l'A380.  

                

Comme chaque paire d'électrodes peut fournir 50W lorsque les électrodes sont espacées de 5cm, nous pouvons déterminer le nombre d'électrodes à mettre en série sur les ailes de l'avion. On devrait en mettre plus de 10000, ce qui représente une longueur de 270m alors que l'aile ne mesure que 40m.

Cette solution est donc inenvisageable.

Protéines antigel

Les protéines anti-gel (PAG ou AFP anti freeze proteins en anglais) ont d'abord été repérées chez des animaux vivant dans des conditions extrêmes, comme des poissons en Arctique dont l'eau est à -1°C (la teneur en sel de l'océan l'empêche de geler). Ces animaux ont développé des protéines qui empêchent leur sang de glacer par exemple.

Ces protéines peuvent protéger les êtres vivants de trois façons :

- par hystéresis thermique (différence de température entre le point de congélation et le point de fusion)
- par l'inhibition de la recristallisation
- par modelage des cristaux de glace

En pratique les protéines anti-gel empêchent les cristaux de glace naissant de grossir. Les germes de cristaux de glaces sont composés six anneaux de quatre molécules H2O qui laissent un trou au centre.

                                                           

Quatre molécules de H2O

Les protéines antigel sont formées d'une chaîne de trois acides aminés qui se répètent (thréonine-alanine(ou proline)-alanine). Lorsqu'une molécule de sucre se fixe sur la thréonine, la protéine se trouve attirée par les molécules d'eau piégées dans les cristaux de glace. Elle va donc se rapprocher de la molécule d'eau et se positionner de manière à recouvrir le cristal. Le cristal de glace ainsi recouvert ne peut plus interagir avec d'autres molécules d'eau et sa croissance est donc stoppée.

Les protéines antigel sont différentes des protéines habituelles. Les protéines usuelles possèdent des régions hydrophobes dans leur noyau alors que pour la protéine antigel ces régions hydrophobes se trouvent en surface, ce qui lui permet de s'introduire dans les trous formés par les cristaux de glace. Ces protéines arrivent à distinguer les germes de cristaux de glace de l'eau liquide, et heureusement sinon elles assécheraient le milieu. Elles ne se fixent qu'aux germes de glace.

Les germes de cristaux de glace se différencient essentiellement de l'eau liquide par leur forme, c'est ainsi que les protéines antigel les reconnaissent (cf figure ci-dessous).

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Image : mysciencework.net

Les protéines se lient aux cristaux par des interactions de type Van der Waals. Les liaisons hydrogènes ne peuvent être celles qui permettent le maintient car sinon les protéines antigel se lieraient aussi avec les molécules d'eau liquide.

                              Schéma des liaisons entre 4 molécules de H2O et une partie de la protéine antigel

Ces protéines sont très efficaces mais aussi très chères. Il faut dépenser 10$ CAD(=7.07€) pour 1mg. Ces protéines étant très présentes chez les êtres vivants qui la fabriquent, elle doit se trouver en concentration importante pour être efficace. Comme on souhaite l'incorporer à la peinture (3600L nécessaire pour l'A380), même si 1g/L suffit, cela représente un coût qui se compte en milliards d'euros.

Solution retenue : acétate de Zirconium

Lors de travaux de recherche sur la synthèse de matériaux poreux, des chercheurs du CNRS ont découvert que l'acétate de zirconium exerce un contrôle sur la croissance des cristaux de glace. Ce composé est habituellement connu pour stabiliser des suspensions. Son faible coût de fabrication et sa stabilité en font un élément très intéressant.

L'acétate de zirconium est actuellement utilisé comme imperméabilisant et dans des films hydrofuges. Les composés actuellement disponibles en vente permettent de prévenir ou de diminuer la vitesse de formation des cristaux de glace mais en aucun cas de l'empêcher.

                                                     

Formule de Lewis de l'acétate de zirconium

 

Comment ça marche?

L'acétate de zirconium possède une des actions des protéines antigel, il agit sur le modelage des cristaux de glace. Des expériences consistant à geler des solutions contenant de l'acétate de zirconium ont été menées en laboratoire par un chercheur du CNRS, Sylvain Deville, et son équipe. Les résultats montrent que dans ces solutions les cristaux de glace ont une forme différente de leur forme habituelle. L'acétate de zirconium permet de diviser par 100 le taux de croissance des cristaux dans la direction a (cf schéma ci-dessous). La vitesse de croissance peut descendre jusqu'à 0,02$\mu$m/s dans cette direction.

                                                                 

Axes a et c (image Wikipédia)

L'acétate de zirconium interagit au niveau atomique avec les cristaux de glace. Des liaisons hydrogènes sont formées avec la surface des cristaux. Ainsi le groupe acétate, qui est hydrophobe, est laissé à la surface des cristaux et éloigne des molécules d'eau qui contriburaient à la croissance de la glace.

                              

Figure extraite de "Ice Structuring Mechanism for Zirconium Acetate"

Cependant le mechanisme de reconnaissance des cristaux de glace par l'acétate de zirconium n'est pas sûr. Dans le papier Inhibition of Ice Growth and Recrystallization by Zirconium Acetate and Zirconium Acetate Hydroxide, deux modes sont proposés. Dans le premier le groupe méthyl contenu dans l'acétate et de l'hydroxyde sont les éléments qui reconnaissent les cristaux de glace. Dans le second ce sont les groupes acétate seuls qui reconnaissent les cristaux (cf shémas ci dessous).

           

Schémas représentant la reconnaissance de la glace par l'acétate de zirconium (image extraite de Inhibition of Ice Growth and Recrystallization by Zirconium Acetate and Zirconium Acetate Hydroxide)

Avantages et Incovénients

L'acétate de zirconium ne permet pas de stopper complètement la croissance des cristaux de glace, il ne peut que la ralentir.

Pour observer les effets de l'acétate de zirconium sur la forme des cristaux une concentration minimale de 18g/L est nécessaire. Quand on augmente la concentration la forme des cristaux change mais on observe toujours un modelage.

Cependant pour observer ce modelage il faut que la vitesse de croissance des cristaux ne soit pas trop élevée. En effet une vitesse trop importante ne laisserait pas le temps à l'acétate de zirconium d'agir.

Si ce composé permet de ralentir la croissance de la glace des expériences montrent qu'il ralenti ou empêche aussi la fonte.

Expérience

L'acétate de zirconium n'a pas été testé pour des traitements de surface, c'est pourquoi nous souhaitons faire une expérience.

Elle consiste à peindre une surface métallique avec deux peintures différente. La première sera appliquée sur la première moitié de la surface et la seconde sur la seconde moitié. La première peinture sera celle utilisée à l'heure actuelle pour peindre les A380 et la seconde sera cette même peinture dans laquelle on aura ajouté de l'acétate de zirconium.

                                        

Schéma de l'expérience

On s'attend à observer moins de givre sur la partie de la surface peinte avec la peinture dans laquelle on a ajouté de l'acétate de zirconium. De plus cette expérience permettrait d'observer le givre formé sur cette surface afin de déterminer s'il possède des propriétés particulières, notamment s'il est plus facile à retirer que du givre classique.

Bibliographie

Acétate de zirconium : 

[1] O. Mizrahi, M. Bar-Dolev, S. Guy and al., Inhibition of Ice Growth and Recrystallization by Zirconium Acetate and Zirconium Acetate Hydroxide, PloS ONE 8(3): e59540. doi:10.1371/journal.pone.0059540, 2013.

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[3] S. Deville, C. Viazzi, C. Guizard, Ice-Structuring Mechanism for Zirconium Acetate, Pubs.acs Langmuir, 2012.

[4] PJ. Moles, The Use of Zirconium in Surface Coatings, MEL CHEMICALS, Data sheet 117, 2002.

Peinture chauffante : 

[5] J. Henrion, M. Claire Peinture chauffante amliorée, Brevet WO2014091161 A1, Published on June 2014, 19th.

[6] RescollBlog-Rescoll centre technologique. Dégivrage de pales d’éoliennes : les peintures chauffantes développées par RESCOLL équipent désormais une turbine entière​ [en ligne] Disponible sur rescoll.fr/blog/degivrage-de-pales-deoliennes-les-peintures-chauffantes-developpees-par-rescoll-equipent-desormais-une-turbine-entiere/​ (consulté le 19 janvier 2015)

Protéines antigel : 

[7] M. Howard, E. Blakeley et al. Neutron structure of type-III antifreeze protein allows the reconstruction of AFP-ice interface. Journal of Molecular Recognition 24: 724-732. doi: 10.1002/jmr.1130, 2011

[8] Cogen F et al. (2011) Cryogénisation [en ligne] Disponible sur : cryogenisation-tpe.emonsite.com/pages/ii-les-solutions-envisageables/l-antigel.html (consulté le 03 mars 2015)

 [9] V. Hejaziv, K. Sobolev, M. Nosonovsky, From superhydrophobicity to icephobicity : forces and interaction analysis, Scientific Reports. DOI : 10.1038/srep02194, 2013

[10] P.W Wilson, W.Lu, H. Xu and al., Inhibition of ice nucleation by slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS). RSCPublishing/PCCP. DOI : 10.1039/c2cp43586a, 2012

[11] C. Heller, U. Reidt, A. Friedberger and al., Self-regenerating biocatalytic and/or anti-icing surfaces, Patent WO2010127981 A1, Published on November 2010, 11th

[12] K. Bauer, C. Bolzmacher, A. Friedberger and al., Surfaces with immobilized enzymes or anti-icing proteins, Patent EP2276836 A1, Published on Juanuary 2011, 26th

Dégivrage :

[13] D.Morieux. Les dispositifs de dégivrage [en ligne] Disponible sur home.nordnet.fr/dmorieux/degivreur0001.htm (consukté le 19 janvier 2015)

[14] Aéronewstv. Vidéo-Le dégivrage des avions à l'aéroport de Montréal! (2013) [en ligne] Disponible sur www.aeronewstv.com/fr/lifestyle/comment-ca-marche/1549-le-degivrage-des-avions-a-laeroport-de-montreal.html (consulté le 19 janvier 2015)

 

 

 

Conclusion

La solution retenue dans le cadre de ce BEI est donc l'acétate de zirconium et ses propriétés antigel encore mal ou peu connues. Pour être très efficace des recherches et des expériences doivent être menées plus profondément pour découvrir à quel point ce composé peut être utilisé en traitement de surface.

S'il s'avère efficace on peut l'introduire dans la peinture de l'avion et alors il permettrait de diminuer la concentration de glace sur la surface de l'avion. Si ce composé ne peut être utilisé seul, il pourrait au minimum permettre de diminuer considérablement le temps de dégivrage actuel et la quantité de liquide utilisée.