Fonctionnement électromagnétique de l'Hyperloop pour un TPE

En France, avec plus de 68% des déplacements sur longues distances effectués par des véhicules particuliers et seulement 17% pour le train, il est nécessaire d’offrir aux usagers des solutions à la fois fiables, peu chères et répondant aux critères environnementaux. L’hyperloop s’inscrit en rupture dans le monde du transport non seulement par sa technologie, mais aussi par ses possibles performances en matière de mobilité.

Principe général et architecture du système

Le principe consiste à déplacer des capsules contenant les passagers (sorte de trains relativement courts) dans des tubes à faible pression (environ 100 Pa au lieu de 101 325 Pa dans un environnement classique). L’Hyperloop est un projet de transport qui consiste en tubes surélevés par des pylônes antisismiques séparés de trente mètres dans lesquels se déplaceraient des capsules contenant des marchandises ou des passagers. Cette fois, elles sont surélevées par sustentation magnétique, afin de limiter les frottements.

Selon le projet d’Elon Musk, l’Hyperloop voyagera dans un tube de 2,23 mètres de diamètre, à basse pression. Des pompes permettent de l’abaisser à 1 mbar (100 Pa), c’est-à-dire 1000 fois moins que la pression atmosphérique au niveau de la mer (1 bar environ). Deux tubes sont nécessaires, un pour l’aller, l’autre pour le retour. Ils sont soutenus par des pylônes en béton armé, espacés de 30 mètres.

Sustentation : lévitation électromagnétique et coussin d'air

Utilisé sur le train japonais JR-Maglev le système de sustentation magnétique utilise le phénomène de la sustentation électromagnétique, ce qui signifie que la capsule de l’Hyperloop ne sera pas en contact avec la paroi du tube. La sustentation électromagnétique, utilisant des électroaimants classiques. La traînée électromagnétique est ici très faible, voire nulle. Le Transrapid allemand en est le principal exemple. L'interaction entre les aimants à bord du train et des aimants disposés le long de la voie crée une force magnétique induite qui compense la gravité et permet la lévitation.

La partie du tube située à l’avant de la capsule serait sous basse pression afin de limiter les frottements liés à l’air tandis que la partie du tube située à l’arrière de la capsule subirait une pression plus élevée. Cette différence de pression se ferait avec un compresseur axial. La rame nécessite ainsi beaucoup moins d’énergie pour se déplacer que si elle était à l’air libre. Tandis que projet initial consistait à surélever les capsules grâce à des coussins d’air, les compagnies prévoiraient finalement d’utiliser des systèmes de sustentation électromagnétique puisque le tube dans lequel circulerait les capsules serait en majorité vidé de son air.

Propulsion électromagnétique : principes et étapes d'accélération

Si l'Hyperloop est un mode de transport révolutionnaire, c'est avant tout parce que c'est un train sans roues, avançant par le biais d'électroaimants, d'où le nom de système de propulsion "électromagnétique". Le système de propulsion fonctionne comme le système de sustentation, avec la répulsion et l'attraction des aimants positifs et négatifs. Sa structure est composée de la manière suivante. Sur le rail se trouve une rangée d'électroaimants et sur le train 2 rangées, réciproquement de chaque côtés du train, qui vont servir d'accélérateurs. Entre ces deux rangées coulisse une lame en aluminium permettant au train d'être rattaché à la voie.

Pour l'accélération de 0 à 480 km/h, l'Hyperloop utilise un moteur à induction qui offre différents avantages tels qu'un coût matériel plus faible. Ensuite, afin de propulser l'Hyperloop de 480 km/h à 1220 km/h, un autre système de moteur a été mis au point. Ce moteur est constitué de 2 parties. Une partie mobile se situant sous le véhicule (« rotor ») et une partie fixe se situant dans le tube (« stator »). La partie mobile est la lame d'aluminium, vue précédemment, qui est alimentée par un courant électrique et devient ainsi un électroaimant. La partie fixe est quant à elle constituée de plusieurs électroaimants dont la disposition va jouer un rôle majeur.

En effet, la disposition des aimants est importante car c'est sur eux que va reposer la propulsion de l'Hyperloop. Ceux-ci sont posés en alternance: un des aimants de pôle nord puis un de pôle sud. Sur le train lui-même, on aura la même installation. C'est donc grâce à la force des aimants, qui vont effectuer de perpétuelles attractions et répulsions de la lame avec les électroaimants, que le train va avancer et accélérer. En effet, il circule dans les aimants un courant alternatif permettant d'inverser la polarité. Ainsi, la lame va adopter une polarité nord ou sud qui va d'abord être attirée puis repoussée par le changement de polarité.

Différences vis-à-vis des trains Maglev classiques

Ce qui différencie l'Hyperloop d'un train magnétique normal, c'est l'économie d'énergie qu'il va réaliser, en utilisant dans un second temps des moteurs pour conserver la vitesse atteinte par les forces magnétiques. Une fois la vitesse voulue atteinte (environ 1220 km/h), vient la mise en place d'un système qui diffère de celui utilisé par les trains Maglev qui eux utilisent le champ magnétique sur toute la durée de leurs trajets.

Malheureusement, le système de propulsion est très énergivore et consomme beaucoup d'électricité. Même si les bobines ne sont pas tout le temps allumées, il faut produire un champ d'une très grande intensité, c'est pourquoi Elon Musk travaille encore sur d'éventuelles améliorations techniques ou matérielles à mettre en place pour son grand projet.

Gestion de l'air : compresseur axial et compresseur-hélice embarqué

Dans chaque tube, les capsules qui composent l’Hyperloop partent une par une toutes les 5 minutes. Elles voyagent à 1220 km/h, ce qui correspond pratiquement à la vitesse du son dans l’air (qui est de 1234 km/h). À cette vitesse, elles accumulent l’air qui est dans le tube : les capsules seraient alors freinées et s’échaufferaient fortement à cause de l’écoulement de l’air à l'avant et sur les parois de la capsule. C’est pourquoi chacune est dotée d’une hélice qui joue le rôle de compresseur. L’hélice aspire l’air à l’avant et l’envoie dans un réseau de tuyaux.

Une partie de l’air est directement rejetée à l’arrière des capsules, le reste est compressé. La pression atteint 1,1 bar, soit légèrement plus que celle de l’atmosphère. L’air pressurisé est expulsé sous la capsule par de minuscules orifices, dans l’espace très étroit entre la capsule et la paroi du tube. Cela crée alors un coussin d’air sur lequel flotte la nacelle. L’air est refroidi par un circuit d’eau.

Utilisé principalement dans l'aéronautique, le compresseur axial comprime l’air situé dans la partie du tube située à l’avant de la capsule. Il comprime l’air avec l'aide de différentes turbines (rotor et stator). L’air comprimé par le compresseur axial est ensuite acheminé par des tubes à l’arrière de la capsule puis libéré. Ce compresseur a un encombrement moyen et un taux de compression élevé. A l’heure actuelle, le compresseur axial équipe la quasi totalité des turbomachines de forte puissance.

Architecture de la cabine et contraintes structurelles

Les capsules mesureront une trentaine de mètres de long et pèseront environ 20 tonnes. Elles circuleront dans des tubes positionnés en hauteur sur des pylônes (leur dimension dépendra de la topographie des lieux). Cet espace clos et couvert permettra d’éviter les aléas climatiques ainsi que les collisions et les nuisances sonores. La capsule entrera en lévitation dans le tube grâce à l’énergie magnétique passive. Pour les passagers, le transport sera non seulement rapide, mais aussi très agréable.

Principe de pressurisation: permet de maintenir une pression atmosphérique identique à celle située à l’extérieur de l’Hyperloop en pressurisant la cabine de transport. Elle est hermétique afin que les passagers ne subissent pas de différence de pression comme l’intérieur du tube est sous basse pression. Le fuselage de l'Hyperloop possède une forme circulaire. Le fuselage étant pressurisé, les perçages dus à la mise en place des différentes fixations (rivets, vis…) doivent être étanches. Un mastic d’étanchéité sera utilisé en interposition et en recouvrement sur tous les trous de fixations.

La conception de ce fuselage doit donc être sans faille puisque la pression interne est donc plus élevée que la pression extérieure et la structure du fuselage doit supporter une pression différentielle. Des cloisons spéciales appelées « Bulkhead » assurent l’étanchéité entre les parties pressurisées et non pressurisées. Elles sont réalisées par usinage dans la masse ou en matériaux composites.

Énergie, autonomie et bilan énergétique théorique

Afin de réduire l’empreinte carbone, l’ensemble des besoins énergétiques pourraient, de manière théorique, être couvert grâce à des panneaux solaires installés sur les tubes, ainsi que par des systèmes de récupération d’énergie sur les dispositifs de freinage. En effet, l’énergie nécessaire pour une capsule sur une distance de 560 kilomètres serait de 485 kWh environ. Sur ces 560 kilomètres, seraient installés des panneaux solaires pour obtenir une puissance totale de 285 MW. Ainsi, avec environ 285 GWh d’énergie (optimisation grâce à l’utilisation de batteries et d’air comprimé), l’hyperloop peut opérer sur l’année sans aucune émission de CO2.

Les batteries utilisées se rechargent à l'aide de panneaux solaires et éoliennes fixés sur le toit des tubes transportant les capsules et avec un stockage sur batterie pour la nuit et les jours pluvieux. Ce système devrait permettre à l'Hyperloop d'être autonome en énergie, ce qui le rend écologique. L'entreprise installera des panneaux photovoltaïques sur le tube pour alimenter les capsules, censées consommer moins d'énergie qu'un TGV.

Contraintes, limites et défis technologiques

Malgré la forte effervescence sur l’hyperloop, aucun test n’a aujourd’hui été réussi en conditions réelles. De plus, aucune entreprise n’a encore réussi à atteindre les performances attendues, avec des vitesses dépassant les 1000 km/h. Les résultats des différentes start-up, dont ceux de Transpod, sont ainsi éloquents bien qu’à nuancer : plus rapide et théoriquement moins cher en investissement, l’hyperloop est cependant limité par sa capacité d’échange, plus de deux fois moins importante que celle d’un TGV. Cette capacité d’échange pourrait affecter la rentabilité des projets, limitant les revenus issus du volume de passagers transportés.

Le principal facteur de scepticisme vis-à-vis de l’hyperloop porte sur les différents coûts d’un tel projet, notamment celui présenté par Elon Musk sur la ligne San Francisco - Los Angeles, qui semble utopique en considérant les nombreuses sous-estimations qui y sont présentes, notamment sur les infrastructures. En effet, les infrastructures principales de l’hyperloop sont des pylônes qui permettent de surélever les tubes de transport, et réduisent ainsi le coût du foncier à acquérir. Cependant, les pylônes devront répondre à de nombreuses exigences en matière de sécurité, qui ne sont pas prises en compte dans les différents rapports actuels.

Au niveau énergétique, étant donnée l’absence de tests réels en sous pression des tubes, les résultats de consommation énergétique ne sont que théoriques, et aucune donnée ne précise les possibles surconsommations en cas de fuite d’air, mauvaise conception ou défaillance électrique. Enfin, L’hyperloop, de par ses infrastructures, aurait un nombre de stations très limité, oubliant ainsi les périphéries des grandes villes ; à contrario d’un TGV, qui peut utiliser les gares TER existantes permettant une meilleure desserte pour les usagers en périphérie des principaux centres urbains.

Expérimentations, acteurs et trajectoire industrielle

Trois entreprises explorent actuellement l’idée de l’hyperloop afin d’offrir cette nouvelle alternative de mobilité pour les usagers. La plus connue est Virgin Hyperloop One, fondée en 2014 par un collaborateur de Elon Musk, qui effectua ses premiers tests en mai 2016 avec une vitesse de 112 km/h, puis 310 km/h en juillet 2017 (hors tube faible pression). A titre de comparaison, les TGV peuvent avoir des vitesses moyennes de l’ordre de 300 km/h. La start-up projette également de créer la première ligne commerciale visant à relier Dubaï - Abu Dhabi en seulement 12 minutes (140 kilomètres soit une moyenne de 700 km/h).

Une deuxième start-up, nommée Hyperloop Transportation Technologies, fondée par Dirk Ahlborn, utilise une structure très différente des autres entreprises : la start-up n'emploie que 4 salariés, mais plus de 450 personnes sont associées à distance par groupe de 4 à 7. Elle construit actuellement sa première piste d’essai à Toulouse pour effectuer des tests. TransPod a quant à elle été critiquée pour son retard dans la construction d'un centre à Droux, dans le Centre de la France. Plus discrète, la canadienne TransPod planche également depuis plusieurs années sur une ligne de transport de passagers et de fret léger de 300 km entre Calgary et Edmonton.

Les tests sont actuellement effectués dans des déserts, où les contraintes tant sur le coût du foncier que sur la structure du terrain sont moindres. Malgré les levées de fonds, les accords de principe, les études de faisabilité ou le développement de prototypes, la situation semble stagner pour les différentes entreprises qui portent le projet, et les experts demeurent sceptiques. « C'est un peu un réveil difficile qui est en train de s'opérer », commente un spécialiste transports.

Sécurité, confort et aspects humains

Étant donnée la faible hauteur de la nacelle (environ 1,10 m), les passagers sont assis sur des sièges à dossier incliné. Les ‘‘g’’ sont l’unité de mesure de l’accélération d’un objet sur Terre. En comparaison, lorsque l’on accélère en voiture, on subit une force d’accélération variant de 0,1 à 0,3 g. La capsule est construite dans un matériau composite intelligent double couche appelé « Vibranium » (nom utilisé par une société), et la pressurisation de la cabine impose des dispositions particulières pour la traversée des cloisons étanches par des canalisations de fluides et des câbles électriques.

Le démarrage et l'arrêt de l'hyperloop sont plus complexes qu'ils en ont l'air. Les ingénieurs pensent le mettre sur pneus lors de l'approche ou du départ d'une gare. Lors du départ, l'hyperloop quitterait ses pneus pour passer en sustentation magnétique. Mais pour l'arrivée en gare, la réduction de vitesse se fera en inversant la polarité des aimants ce qui le ralentira puis il terminera son arrivée sur pneus.

Aspects économiques et perspectives

Les nombreuses entreprises travaillant sur l’hyperloop proposeraient, sur le papier, un coût de réalisation (infrastructures, cargo, foncier…) très compétitifs, comparés à d’autres modes de transport : 6 milliards de dollars pour Los Angeles - San Francisco contre 68 pour un projet de train ultra rapide sur la même distance. TransPod a effectué une analyse des coûts et performances sur la ligne Paris - Francfort, entre l’hyperloop et le TGV. Elle permet de mettre en relief un coût total de réalisation 30% moins chers que le TGV, mais dont les coûts sont ici théoriques (coûts uniquement basés sur des études, ne prenant pas en compte le fort aléa lié à l’aspect prototype) et non réels, comparés au TGV.

Une étude universitaire a réalisé une nouvelle étude des coûts CAPEX et OPEX sur l’hyperloop remettant en cause les différents projets proposés par les industriels. Elle montre que l’hyperloop pourrait être moins cher que le TGV au-delà de la 40ème année d’utilisation. Le principal point reste la difficulté initiale du financement : « Quand on ne sait pas si ça marche, personne ne veut mettre de l'argent. »

Points techniques à approfondir pour un TPE

• Expliquer le principe d’électromagnétisme appliqué (stator, rotor, inversion de polarité via courant alternatif).
• Comparer propulsion linéaire (moteur linéaire) et moteurs à induction pour les phases d’accélération.
• Décrire le rôle du compresseur axial embarqué et les contraintes thermiques et mécaniques sur ses aubes (charges aérodynamiques, thermiques, contraintes centrifuges).
• Présenter la structure pressurisée du fuselage : revêtement, longerons, lisses, cadres, plancher, cloisons (bulkheads).
• Analyser le bilan énergétique théorique et les hypothèses (surface solaire, stockage, rendement, fuites).

Proposition de tableau synthétique pour le TPE

Questions à développer pour un exposé

1. Comment fonctionne précisément la propulsion par inversion de polarité des électroaimants ?
2. Quelles sont les limites thermiques liées aux échauffements aérodynamiques à haute vitesse ?
3. Quels scénarios de défaillance (perte de pression, panne électrique) doivent être pris en compte pour la sécurité ?
4. Comment calculer le bilan énergétique d'une ligne en intégrant panneaux solaires, stockage et récupération d'énergie au freinage ?
5. Quelle est la comparaison réelle capacité/heure entre un Hyperloop et un TGV ?

Aujourd'hui, l'hyperloop peut être présenté comme une technologie de rupture non seulement grâce à ses promesses d'un point de vue technique (tube en sous-pression, sustentation magnétique, production d'énergie) mais aussi de l'amélioration de service proposé pour les usagers. Néanmoins, sans projet opérationnel à l'heure actuelle, le coût de transport par passager demeure théorique et de nombreux défis techniques, économiques et réglementaires restent à résoudre.

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