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Objet scientifique : Zoom sur le moteur Stirling vieux de 200 ans, simple mais toujours utilisé !

Moteur Stirling Crédits : Claudio Minonzio / Wikimedia

Au début des années 1800, les chaudières des moteurs à vapeur subissaient de hautes pressions et explosaient régulièrement. Le moteur Stirling qu’inventa le pasteur et métallurgiste Robert Stirling promettait de résoudre ces problèmes. Lorsqu’il déposa son brevet en 1816, il était loin d’imaginer que son moteur irait dans l’espace…

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Un bref historique

Afin de résoudre les problèmes d’explosion, le pasteur Robert Stirling conçut un moteur qui ne nécessitait pas de chaudière pressurisée. Pour que le moteur fonctionne, il fallait simplement une source d’énergie extérieure provenant de la combustion. C’est d’ailleurs pour cela que ce moteur est aussi connu sous le nom de « moteur à combustion externe ». Il tomba rapidement dans l’oubli à cause de son mauvais rendement. En 1870, avec les progrès de la thermodynamique (la science qui étudie les mouvements thermiques et énergies d’un système), les scientifiques purent étudier le mécanisme du moteur et comprendre parfaitement son fonctionnement. Mais, c’est 1930 que ce moteur suscita l’intérêt, afin qu’il soit utilisé dans le plus d’applications technologiques possible. En effet, son intérêt est que pour le faire fonctionner, il faut seulement une source de chaleur externe, et il ne nécessite pas l’utilisation d’un carburant spécial !

Aujourd’hui encore, beaucoup l’étudient car il ne pollue que très peu. Plus loin dans l’article, nous verrons les différents types d’utilisation du moteur Stirling.

Le fonctionnement du moteur Stirling

Nous allons ici expliquer le fonctionnement d’un moteur Stirling miniature, dans sa conception la plus simple. On dit que ce modèle est de type gamma. Le voici :

moteur stirling gamma
Moteur Stirling gamma
Crédits : Michele M. F./Wikimedia

Le moteur que l’on voit sur l’image est sur une tasse. Vous allez bientôt comprendre pourquoi. Tout d’abord, celui-ci est constitué d’un socle dans lequel il y a de l’air, et d’un piston bleu qui est relié à une roue. Le socle dans lequel est le piston est totalement isolé de l’extérieur. Lorsque les deux surfaces noires du socle subissent un écart de température – même faible – par chauffe d’une des deux plaques, la magie opère et le moteur se met en marche.

Le fonctionnement et l’explication physique sont très simples. L’air chaud est moins dense que l’air froid. Ainsi, l’air chaud est plus léger et occupe plus de place, c’est pourquoi il monte. Pour l’air froid, c’est l’inverse. Ainsi, lorsque la plaque du bas est chauffée, l’air chaud va venir appuyer sur le piston bleu, qui se retrouvera contre la plaque du bas, ce qui va entraîner la roue. Alors, tout l’air chaud présent à l’intérieur va se retrouver au-dessus du piston, en contact de la plaque supérieure qui sera plus froide. L’air va ainsi refroidir : il sera plus dense et plus lourd et va donc redescendre et faire monter le piston bleu. À ce moment-là, l’air refroidi sera à nouveau en contact avec la surface noire inférieure chaude, qui réchauffera l’air. De cette manière, l’air sera de nouveau chaud et ainsi de suite…

Cette alternance chaud/froid avec le mouvement du piston va permettre de faire tourner la roue tant qu’il y aura un écart de température entre les deux surfaces noires.

Voici une animation qui montre ce phénomène :

animation moteur stirling gamma
Crédits : MichaelFrey/Wikimedia

Plus l’écart de température sera grand, plus la vitesse de rotation de la roue sera importante. Il suffit simplement de mettre ce moteur sous une tasse de café pour qu’il se mette en action. Voici une illustration en vidéo :

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Voici un autre type de moteur Stirling.

Les applications et recherches autour du moteur Stirling

Voici une liste non exhaustive des différentes applications de ce moteur :

  • Premièrement, ce type de moteur est très utilisé dans le domaine de réfrigération industrielle et militaire, car il sert de refroidisseur des systèmes de guidage militaire infrarouges.
  • Ensuite, il est présent au Japon, en Islande et dans de nombreuses missions scientifiques militaires et industrielles en tant que générateur d’électricité.
  • On le retrouve dans de nombreux équipements militaires tels que les sous-marins, premièrement parce que c’est un moteur silencieux donc stratégique, et aussi car il ne gaspille pas beaucoup d’énergie.
  • Il sert aussi de refroidisseur pour les réacteurs nucléaires.
  • Depuis 2009, la plupart des constructeurs de chaudières utilisent ce moteur comme centrale de cogénération. Ce style de chaudière permet de chauffer l’eau du domicile, mais aussi de produire de l’électricité !
  • Pour son projet Kilopower, la NASA veut utiliser ce moteur pour fournir de l’énergie aux satellites et sondes spatiales !
  • Certains satellites se procurent déjà de l’énergie grâce au moteur Stirling, et il est très en vogue grâce à son fort rendement.

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