Une équipe dirigée par les physiciens Christoph Utschick et le professeur Rudolf Gross de l'Université technique de Munich (TUM) est parvenue à fabriquer une bobine de fils supraconducteurs capable de transmettre une puissance de l'ordre de cinq kilowatts sans contact et avec des pertes minimales. Ses nombreuses applications potentielles incluent les robots industriels autonomes, les équipements médicaux, les véhicules et même les aéronefs.

La transmission d'énergie sans contact s'est déjà imposée comme une technologie clé pour la recharge de petits appareils tels que les téléphones portables et les brosses à dents électriques. Les utilisateurs souhaiteraient également que la recharge sans contact soit disponible pour les machines électriques plus imposantes, comme les robots industriels, les équipements médicaux et les véhicules électriques.

Ces appareils pourraient être placés sur une station de recharge lorsqu'ils ne sont pas utilisés. Ainsi, même de courtes périodes d'inactivité pourraient être mises à profit pour recharger efficacement leurs batteries. Cependant, les systèmes de transmission actuellement disponibles pour la recharge haute performance (de l'ordre du kilowatt et plus) sont volumineux et lourds, car ils utilisent des bobines de cuivre.

En collaboration avec les sociétés Würth Elektronik eiSos et le spécialiste des revêtements supraconducteurs Theva Dünnschichttechnik, une équipe de physiciens dirigée par Christoph Utschick et Rudolf Gross a réussi à créer une bobine avec des fils supraconducteurs capables de transmettre une énergie sans contact de l'ordre de plus de cinq kilowatts (kW) sans pertes significatives.

Réduction des pertes en courant alternatif dans les supraconducteurs :
Pour y parvenir, les chercheurs ont dû surmonter un obstacle. De faibles pertes en courant alternatif se produisent également dans les bobines de transmission supraconductrices. Ces pertes augmentent avec le rendement de transmission, ce qui a un impact déterminant : la température de surface des fils supraconducteurs s’élève et la supraconductivité chute brutalement.

Les chercheurs ont mis au point une bobine spéciale dont les spires sont séparées par des entretoises. « Ce procédé réduit considérablement les pertes de courant alternatif dans la bobine », explique Christoph Utschick. « Il permet ainsi de transmettre une puissance de l'ordre du kilowatt. ».

Optimisation par simulations analytiques et numériques.
L'équipe a choisi pour son prototype un diamètre de bobine permettant d'atteindre une densité de puissance supérieure à celle des systèmes disponibles sur le marché. « L'idée de base des bobines supraconductrices est de minimiser la résistance au courant alternatif dans un espace d'enroulement réduit, et ainsi compenser le couplage géométrique diminué », explique Utschick.

Cela a contraint les chercheurs à résoudre un conflit fondamental. En réduisant l'écartement entre les spires de la bobine supraconductrice, celle-ci serait très compacte, mais risquerait de provoquer un effondrement de la supraconductivité en fonctionnement. À l'inverse, un écartement plus important entraînerait une diminution de la densité de puissance.

« Nous avons optimisé la distance entre les spires individuelles grâce à des simulations analytiques et numériques », explique Utschick. « Cet espacement est approximativement égal à la moitié de la largeur du conducteur. » Les chercheurs souhaitent désormais travailler à l'augmentation de la puissance transmissible.

Domaines d'application prometteurs :
En cas de succès, de nombreux domaines d'application passionnants s'ouvriront à nous, tels que la robotique industrielle, les véhicules autonomes et les équipements médicaux de pointe. Utschick envisage même des voitures de course électriques rechargeables dynamiquement sur circuit, ainsi que des aéronefs électriques autonomes.

Cependant, l'application à grande échelle de ce système se heurte encore à un obstacle. Les bobines nécessitent un refroidissement constant à l'azote liquide, et les récipients de refroidissement utilisés ne peuvent être en métal. Autrement, les parois de ces récipients métalliques chaufferaient considérablement sous l'effet du champ magnétique, un peu comme une casserole sur une plaque à induction.

« Aucun cryostat de ce type n'est actuellement disponible sur le marché. Cela nécessitera un effort de développement considérable », explique Rudolf Gross, professeur de physique technique à l'Université technique de Munich et directeur de l'Institut Walther-Meissner de l'Académie bavaroise des sciences et des lettres. « Mais les résultats obtenus jusqu'à présent constituent une avancée majeure pour la transmission d'énergie sans contact à haute puissance. ».

Publication:

Christoph Utschick, Cem Som, Ján Souc, Veit Große, Fedor Gömöry et Rudolf Gross.
Transfert d'énergie sans fil supraconducteur au-delà de 5 kW avec une densité de puissance élevée pour les applications industrielles et la charge rapide des batteries.
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2 février 2021.
Lien : https://ieeexplore.ieee.org/document/9345521

Plus d'informations :

Le partenaire Würth Elektronik eiSos a défini le sujet et financé la promotion industrielle à l'origine de cette publication. Des travaux de recherche essentiels ont été menés à l'Institut Walther-Meissner (WMI) de l'Académie bavaroise des sciences et des lettres. Les supraconducteurs à haute température utilisés ont été fournis par Theva Dünnschichttechnik, une entreprise issue de l'Université technique de Munich.