Les méthodes de déglaçage et les matériaux électro actifs

LES MÉTHODES DE DÉGLAÇAGE

Une étude approfondie sur les techniques antigivrantes et dégivrantes a été réalisée en 1994 (révisée en 2002 pour le Canadian Electricity Association Consortium par Laflamme, Laforte et Allaire, 2002) afin d’outiller les ingénieurs qui ont à faire face à ce type de problèmes. Sur la base de cette étude, les techniques répertoriées peuvent être classées en trois grandes catégories selon le niveau d’énergie qu’elles requièrent. Les deux premières sont actives et comprennent les méthodes thermiques où la glace est fondue en partie ou totalement et les méthodes mécaniques brisant la glace. La troisième catégorie englobe les méthodes passives utilisant l’énergie et les forces naturelles tels la gravité, le vent, la radiation solaire ou la tension de surface. Elles comprennent entre autres les revêtements de surface solides à faible adhérence à la glace et les dispositifs favorisant le délestage.
Les méthodes actives et passives sont résumées au Tableau 3-1 dans lequel elles sont classées selon le type de transfert d’énergie c’est-à-dire directement de la source d’énergie à la glace ou via le substrat.
Parmi les méthodes thermiques actives consistant à chauffer directement la glace, on compte le liquide abaissant le point de fusion de la glace, la radiation infrarouge et les micro-ondes, les jets d’air ou d’un liquide chaud. Par exemple, les liquides dégivrants et antigivre sont couramment utilisés sur les avions en attente de décollage dans les aéroports.
Les méthodes où la glace est chauffée via le substrat englobent celles où c’est l’élément à déglacer qui augmente en température afin de faire fondre la glace accrétée sur celui-ci. En effet, il existe des méthodes utilisant la chaleur provenant du conducteur dans lequel des courants CA ou CC élevés sont appliqués ou utilisant la chaleur d’un recouvrement de fils ferromagnétiques dans lequel un courant induit en CA est appliqué. Dans ce même groupe, il existe une méthode utilisant des gaz chauds pour le déglaçage en vol des bords d’attaque des ailes d’avion. Lorsque les surfaces à déglacer ne sont pas très grandes, on peut les recouvrir d’une gaine chauffante comme c’est le cas pour la vitre arrière d’une automobile.
De façon générale, ces médiodes thermiques sont les plus efficaces. Toutefois, pour certaines applications à plus grandes échelles comme le cas des conducteurs électriques, elles sont très énergivores. Effectivement, il faut disposer d’une puissance électrique suffisante capable de soutenir les courants élevés nécessaires au déglaçage.
Les méthodes mécaniques sont généralement les premières à être utilisées pour déglacer une surface. Elles consistent à frapper directement les dépôts de glace à l’aide d’outils divers tels racloirs, bâtons, rouleaux, couteaux. Parfois, ces derniers sont opérés à distance au moyen de perche ou montés sur des robots commandés à distance. Elles comprennent également les méthodes un peu moins courantes où le choc mécanique est transmis vis le substrat. Différentes techniques ont été étudiées : un système vibratoire à mi-portée s’alimentant à même le courant de la ligne (N. D., Mulherin et al, 1988), une enveloppe pneumatique gonflable (C. A., Martin et al, 1992), un recouvrement de fils électro-expulsifs (J.L., Laforte et al, 2001) ou d’alliage à mémoire de forme (J., Gerardi et R., Ingram, 1995) et un dispositif de torsion (P., Desmeules, 1992). Pour finir, il existe une méthode active électrochimique développée par Petrenko (V. F., Petrenko, 1994) provoquant l’électrolyse du film d’eau et un dégagement simultané d’hydrogène H2 et d’oxygène O2 à l’interface facilitant le délestage.

Les méthodes passives

Les méthodes passives agissent toutes sur la glace via le substrat et se divisent en trois catégories soit : thermique, chimique et mécanique. Les revêtements solides hydrophobes, possédant peu d’affinité chimique avec l’eau et par le fait même diminuant la qualité du mouillage de leur surface s’avèrent efficaces contre l’accumulation de neige mouillée mais produisent un effet mitigé contre l’accumulation et l’adhérence de la glace. Effectivement, un revêtement solide de faible rugosité ou friable peut réduire l’adhérence de la glace (C, Laforte et J-L., Laforte, 2002) mais pas suffisamment pour être qualifié de glaçiophobe. Pour leur part, les produits absorbant les radiations ne sont pas efficaces la nuit ou lorsque les radiations sont trop faibles.
Les produits liquides antigivrants présentement utilisés en aéronautique sont solubles dans l’eau et possèdent un point de fusion en dessous de celui de la glace. Leur solubilité avec l’eau dont l’apport augmente lors de précipitations finit par annuler l’effet antigivrant. Les produits visqueux ne réagissent aucunement avec l’eau et la glace. Cependant, même s’ils ne réagissent pas chimiquement, l’impact mécanique des gouttelettes d’eau ou de particules de glace exerce une action mécanique qui va détruire le film protecteur.
Les dispositifs mécaniques favorisant le délestage comprennent les anneaux, efficaces avec la neige mouillée; les masses antigiratoires, réduisant la quantité de glace accumulée et les systèmes éoliens convertissant l’énergie du vent en vibrations mécaniques. Ces dispositifs sont généralement moins coûteux mais ils sont des palliatifs au givrage.

LES PRINCIPAUX SYSTÈMES/MATÉRIAUX ACTIFS

Cette section présente les principaux système/matériaux actifs ou électroactifs répertoriés dans la littérature (V., White, 2005; Y., Bar-Cohen, 2002; Y., Bar-Cohen, 2001; Y., Bar-Cohen, 1999). La thèse n’ayant pas comme sujet principal l’étude de ces matériaux on se limitera ici à donner au lecteur une vue d’ensemble du domaine des matériaux intelligents. Ces derniers peuvent être regroupés en fonction des mécanismes de fonctionnement en jeu : pneumatique, ionique, électrique et thermique. Ils sont présentés au Tableau 3-2 avec des exemples illustrant chaque catégorie.

Pneumatique : Système McKibben

Le système McKibben est un système convertissant l’énergie pneumatique ou hydraulique d’un fluide en énergie mécanique. Il a été développé dans l’optique de la biorobotique cette discipline qui tente de reproduire les propriétés du corps humain. Ce système, activé par un gaz comprimé, permet de recréer un muscle humain ou animal. Le système a été développé vers les années 1950 par J.L. McKibben pour les patients atteints de polio (G.K., Klute et al, 1999) et est maintenant commercialisé par Bridgestone Rubber Company (Japon) pour des applications en robotique.
Ce système consiste en un tube gonflable recouvert d’une gaine métallique tressée qui se contracte sur le sens de la longueur par augmentation de la pression interne (Figure 3-1).