Les drones prennent leur envol pour aller là où les scientifiques n’osent pas
Les drones changent le fonctionnement de l’industrie et de la science. De petits avions maniables et sans pilote permettent d’accéder à des sites et des équipements difficiles ou dangereux à atteindre, il n’est donc pas surprenant que l’industrie chimique, ainsi que des domaines comme la chimie atmosphérique et l’astrochimie, y investissent. Mais ce qui est surprenant, c’est la diversité même de leur application.
Ces systèmes ne sont pas très bien définis, avec divers termes qui sont devenus populaires au fil des ans, notamment les systèmes d’aéronefs sans pilote (UAS) et, plus récemment, les systèmes aériens sans équipage. Mais un drone fait généralement référence à tout véhicule aérien motorisé sans opérateur humain à bord qui vole de manière autonome ou via une télécommande.
Joseph Morgan, expert en robotique et en pratiques industrielles avancées, dirige une équipe chez Dow. Son travail consiste à s’assurer que les leçons apprises dans les opérations de drones sont partagées dans toute l’entreprise.
Morgan dit que Dow veut adopter les nouvelles technologies et les utiliser pour générer un avantage concurrentiel, ainsi que pour créer un environnement plus sûr pour les employés et les sous-traitants. Il dit que les drones peuvent atteindre les deux objectifs.
« De nombreuses structures de Dow sont très hautes, et nous devons souvent effectuer des travaux à plusieurs mètres du sol. Par nature, c’est un endroit dangereux pour mettre un humain », explique-t-il. « Historiquement, les entreprises construisaient des échafaudages pour accéder à ces sites distants, mais maintenant, à mesure que les technologies avancées sont apparues et en particulier avec l’automatisation, nous sommes en mesure de faire ces travaux sans mettre les gens en danger. »
Les drones aident les travailleurs à éviter les structures élevées ou les espaces confinés, mais il existe toujours des risques importants. C’est là que Morgan et son équipe interviennent. Les drones peuvent potentiellement générer une étincelle ou de la chaleur susceptible de déclencher un incendie ou une explosion. Beaucoup de ces engins sont des quadcoptères alimentés par batterie qui ont quatre hélices tournant à grande vitesse. « Nous nous sommes mis à penser qu’il y avait un risque dans le mouvement des particules d’air », raconte Morgan.
Pour résoudre ce problème, Dow a travaillé avec l’un de ses fabricants pour déterminer la vitesse maximale des hélices de ses drones. Ce chiffre a ensuite été utilisé pour établir qu’il suffisait de générer une étincelle – simplement par le mouvement des particules d’air. « Cette étincelle, soit dit en passant, était supérieure à l’énergie d’allumage minimale de certains des produits chimiques connus que nous produisons », note Morgan.
« Cela réaffirme simplement que si vous deviez placer un drone dans un équipement qui n’était pas correctement préparé pour l’inspection par drone, nous pourrions introduire une source de chaleur ou une étincelle dont nous n’aurions pas connaissance », dit-il. « C’était un problème inattendu dont nous n’avions pas connaissance, mais maintenant nous le savons, et nous construisons notre programme autour de cela pour atténuer ces risques. » D’autres problèmes incluent les plastiques ou les métaux dans le drone qui pourraient réagir avec certains produits chimiques de manière dangereuse.
Par conséquent, pour éviter de tels problèmes, lui et ses collègues s’assurent que l’équipement et les installations sont correctement préparés et nettoyés avant de placer un drone n’importe où dans une usine Dow.
Les entreprises chimiques ont diverses options pour nettoyer leur équipement, dont l’hydroblasting – lavage sous pression à 40 000 psi plutôt que les 5 000 psi utilisés par les systèmes domestiques. « Vous pouvez imaginer les dangers inhérents à cela, qui sont bien connus dans l’ensemble de l’industrie, et donc mon équipe et moi recherchons des moyens plus sûrs de faire ce genre de travail », déclare Morgan.
Non seulement Dow utilise la robotique pour ces opérations de nettoyage, mais l’entreprise utilise également cette technologie pour vérifier l’état de ses installations. Les drones peuvent voler jusqu’à un équipement pour prendre des mesures d’épaisseur par ultrasons. «À partir de cette épaisseur, nous pouvons ensuite estimer le temps restant pendant lequel cet équipement devrait être en service avant de nécessiter une réparation ou un remplacement», explique Morgan. « C’est en quelque sorte à la pointe de ce que font les drones dans les usines. »
Bourdon dans la recherche
Il n’y a pas que l’industrie qui veut participer à l’action, les scientifiques prennent les drones au sérieux comme outil de recherche. Une équipe de l’Université de Princeton les utilise pour identifier les grandes et petites fuites de méthane dans les installations de gaz naturel. Les chercheurs affirment que leur nouvelle approche peut identifier et quantifier avec précision les fuites de méthane jusqu’à 25 fois plus petites que celles généralement détectées à l’aide d’autres méthodes disponibles. Ils notent qu’il peut même localiser la source d’émissions à moins d’un mètre.
Le petit drone de l’équipe est équipé d’un rétroréflecteur – un type de miroir qui renvoie la lumière entrante à sa source comme des yeux de chat sur une route. Une station de base contrôle le drone et contient tout l’équipement de détection de gaz volumineux, ce qui signifie que le drone n’est pas alourdi par l’équipement et peut donc rester en l’air beaucoup plus longtemps. Un laser est utilisé par la station de base pour mesurer la dispersion de la lumière du rétroréflecteur dans l’air entourant le drone et interprétée par spectroscopie. Les modifications de la composition de l’air, telles que l’ajout de méthane, permettent à la fois de localiser et de quantifier les fuites.
Les technologies actuelles basées sur les drones pour la détection atmosphérique nécessitent généralement un capteur de gaz volumineux et coûteux. « Nous avons besoin de drones plus gros et plus lourds pour transporter ces capteurs plus gros et plus lourds, et si vous pouvez réduire le poids et la taille d’un colis sur un drone, vous pouvez voler plus longtemps. Mark Zondlo, chimiste atmosphérique de Princeton, l’un des co-auteurs de l’étude.
Dans leur étude de preuve de concept, Zondlo et ses collègues examinaient le méthane, mais il dit qu’il n’y a aucune raison pour que de nombreuses longueurs d’onde de lumière ne puissent pas être combinées pour les lasers afin que plusieurs espèces puissent être détectées, comme le dioxyde de carbone ou l’ammoniac, aux côtés du méthane.
La prochaine étape pour l’équipe de Princeton est de tester et de valider son système dans un environnement réel. Zondlo s’attend à ce qu’ils fassent voler leur drone modifié autour des fermes laitières locales plus tard cet été.
«L’échantillonnage atmosphérique est très difficile dans une ferme avec une voiture, ou même à pied, car il faudrait escalader des clôtures et éviter d’autres choses», note Zondlo. « Vous ne pouvez pas traverser un lagon, vous ne pouvez pas traverser un réservoir d’aération dans une station d’épuration, vous ne pouvez pas traverser une cheminée », ajoute-t-il. Mais les drones permettent un échantillonnage 3D de l’atmosphère sans de telles restrictions.
Même si les drones ne sont pas autorisés à pénétrer sur un site particulier, ils peuvent voler et échantillonner le périmètre d’une zone. «Ils sont petits, légers, facilement maniables et beaucoup plus flexibles. C’est une plate-forme d’échantillonnage très agile», déclare Zondlo.
Au fond des profondeurs
Des drones sont également utilisés par des chercheurs profondément sous la surface de l’océan. Scientifiques de l’Université d’Alaska Fairbanks (UAF) ont travaillé avec des partenaires commerciaux internationaux pour développer le drone autonome Seaglider pour mesurer l’acidification des océans.
Jusqu’à présent, les données sur l’acidification des océans étaient mesurées à l’aide de capteurs fixes ou de navires effectuant des transects d’échantillonnage. Cela signifie que des zones importantes de l’océan ne sont pas échantillonnées, en particulier pendant l’hiver lorsque les conditions sont dangereuses pour les navires de recherche. Mais l’équipe UAF, en collaboration avec plusieurs de ses partenaires industriels, a repensé un capteur sous-marin existant qui mesure le dioxyde de carbone et l’a intégré à Seaglider.
Il a été conçu et construit par l’Université de Washington dans le laboratoire de physique appliquée de Seattle en 2018 et il peut plonger jusqu’à 1 km sous la surface pour mener des missions tous temps d’une semaine dans des régions éloignées de l’océan tout au long de l’année. Cependant, l’incorporation du capteur de dioxyde de carbone n’était pas une tâche simple car la taille du capteur modifiait la flottabilité de l’engin.
« Cela a demandé beaucoup de réflexion et de nombreux essais différents, et nous travaillons toujours à rendre le planeur plus stable », déclare Claudine Hauri, chef de projet, océanographe chimique au Centre international de recherche arctique de l’UAF. « Nous avons dû installer une extension car le capteur ne rentrerait pas dans le planeur », se souvient-elle. « Il a fallu de nombreuses itérations pour arriver là où nous en sommes actuellement et nous continuons constamment, après chaque mission, à déterminer ce que nous devons améliorer. »
Au printemps dernier, les chercheurs ont déployé leur dernière version de Seaglider dans le golfe d’Alaska. La chimie du carbone inorganique du golfe est unique en raison de la quantité importante d’eau douce provenant des glaciers qui s’y déversent. Les courants et la météo rendent également difficile le travail océanographique dans le golfe, il existe donc un important vide de données que le planeur peut aider à combler, explique Hauri.
L’équipe UAF a également intégré un capteur de méthane dans son Seaglider. Les scientifiques espèrent suivre les rejets de méthane des opérations pétrolières et gazières, décongeler le pergélisol et déstabiliser les hydrates de méthane qui contribuent tous au changement climatique.
En attendant un nouveau financement, Hauri dit que l’équipe prévoit de développer un planeur avec des capacités de détection simultanées pour plusieurs espèces chimiques et conditions environnementales. Ceux-ci comprennent le pH, la conductivité et la chlorophylle a, ainsi que la matière organique dissoute.
Viens voler avec moi sur de nouveaux mondes étranges
Ailleurs dans notre système solaire, la prochaine mission Dragonfly de la Nasa enverra un drone à 16 pales à la surface de Titan, la lune glacée de Saturne. Prévu pour être lancé en 2027, Dragonfly devrait arriver vers 2034 et aider à élucider la chimie de Titan.
Le drone de la Nasa prélèvera des échantillons de sites d’intérêt autour de la lune jusqu’à l’atterrisseur. Là, ils seront irradiés par un laser embarqué ou vaporisés dans un four et introduits dans le spectromètre de masse Dragonfly (DraMS). Cela permettra aux scientifiques d’étudier à distance la composition chimique de la surface de Titan.
On espère que la mission Dragonfly fera la lumière sur les types de conditions chimiques qui existaient sur Terre pour engendrer la chimie prébiotique qui a permis la vie. Selon la Nasa: « La chimie abondante, complexe et riche en carbone de Titan, l’océan intérieur et la présence passée d’eau liquide à la surface en font un endroit parfait pour étudier ces choses et l’habitabilité potentielle d’un environnement extraterrestre. »
Melissa Trainer, scientifique planétaire et astrobiologiste, et l’une des chercheuses principales adjointes de la mission Dragonfly, a expliqué que DraMS est conçu pour examiner les molécules organiques qui peuvent être présentes sur Titan, ainsi que leur distribution dans différents environnements sur la lune.
Les autres équipements qui seront à bord du drone Dragonfly comprennent un spectromètre à rayons γ et à neutrons pour l’analyse élémentaire du sol sous l’atterrisseur, ainsi qu’un microscope d’imagerie.
Ralph Lorenz, planétologue au Johns Hopkins Applied Physics Laboratory dans le Maryland et architecte de la mission de Dragonfly, souligne que Titan est très riche chimiquement. « Il y a des endroits spéciaux sur Titan où une chimie prébiotique vraiment intéressante peut exister – nous nous attendons à beaucoup de matériau photochimique à la surface, mais il y a aussi la grande question de savoir à quel point la chimie peut devenir compliquée », dit-il. Lorenz et son équipe sont particulièrement intéressés à savoir s’il existe des systèmes chimiques qui reproduisent certaines des fonctions associées à la vie telles que le métabolisme, le stockage de l’information et la réplication. Des tests en laboratoire ont suggéré que les conditions sur Titan pourraient favoriser la formation de matières organiques telles que des bases d’ADN et des acides aminés.
Comme il y a des zones sur Titan qui sont difficiles à négocier avec un véhicule à roues comme un rover, note Lorenz, un drone est le moyen idéal pour se déplacer. Et, parce que la gravité de Titan est similaire à celle de la lune de la Terre et a également une atmosphère très dense, la mobilité aérienne y est beaucoup plus facile que presque partout ailleurs dans le système solaire, ajoute-t-il.
L’essor des drones dans de nombreux secteurs ces dernières années doit beaucoup à la baisse des coûts et, surtout, aux avancées techniques importantes. Les experts s’accordent à dire qu’essayer d’imaginer ou de prévoir les caractéristiques et les capacités des futurs drones, et comment ils pourraient révolutionner les sciences, est au mieux délicat. « Le ciel est la limite », déclare Morgan de Dow. « Ce n’est qu’un compromis entre la taille, le poids, la poussée, la durée de vie de la batterie et le contrôle. »